[論文レビュー] Two-dimensional Dirac fermions in YbMnBi2 antiferromagnet

Aifeng Wang, Igor Zaliznyak+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Rare-earth and actinide compounds被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、低温（2–4 K）での高場磁気輸送測定を用いて、YbMnBi₂単結晶において2次元ディラックフェルミオンを同定した。非ゼロのベリー位相、小さなサイクロトロン質量、線形磁気抵抗が観測された。結果は、強いスピンオービット結合を示す準2次元ディラックフェルミオンの存在を裏付け、量子振動と磁場依存輸送特性が、層状反強磁性系におけるディラックフェルミオンの量子限界と整合的であることを示している。

ABSTRACT

We report two-dimensional quantum transport and Dirac fermions in YbMnBi2 single crystals. YbMnBi2 is a layered material with anisotropic conductivity and magnetic order below 290 K. Magnetotransport properties, nonzero Berry phase and small cyclotron mass indicate the presence of quasi two dimensional Dirac fermions. Quantum oscillations in Hall resistivity suggest the presence of both electron and hole parts of the Fermi surface whereas the Berry phase suggests spin-orbit coupling.

研究の動機と目的

• YbMnBi₂単結晶の量子輸送特性を調査し、ディラックフェルミオンの存在を同定すること。
• スピンオービット結合と磁気秩序が、この層状反強磁性体におけるディラックフェルミオンの安定化に果たす役割を特定すること。
• 角度依存磁気抵抗と量子振動を用いてフェルミ面トポロジーを特徴づけること。
• 磁気抵抗のクロスオーバー場 B* の場および温度依存性を用いて、ディラックフェルミオンの量子限界行動を検証すること。
• 多バンドフェルミ面寄与があるにもかかわらず、輸送においてディラック状態が支配的であることを確立すること。

提案手法

• 過剰なビスマスを用いたフラックス法による高品質な YbMnBi₂ 単結晶の成長。
• 低温（2–4 K）での高場磁気輸送測定（最大 9 T）を用いて、量子輸送行動を調査。
• フェルミ面の異方性を特定し、準2次元的性質を確認するための角度依存磁気抵抗測定。
• ホール抵抗率における量子振動の解析により、フェルミ面トポロジーとベリー位相を抽出。
• Kohlerの法則の適用と、クロスオーバー場 B* を量子限界式：B* = (1/2eħvF²)(kBT + EF)² にフィッティング。
• 結晶の品質と組成を確認するための中性子線回折、X線回折、TEM、EDXによる構造的および電子的特徴化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YbMnBi₂単結晶は、量子輸送シグネチャによって示唆されるように、2次元ディラックフェルミオンを有するか？
• RQ2 YbMnBi₂におけるフェルミ面の性質は何か？ また、これは準2次元的か3次元的か？
• RQ3 磁気抵抗の磁場依存性は、ディラックフェルミオンの存在とその量子限界をどのように示すか？
• RQ4 スピンオービット結合は、観測された非自明なベリー位相と輸送の異方性にどのように寄与するか？
• RQ5 Kohlerの法則と場のスケーリングから、多バンド系においてディラック状態が輸送をどれほど支配的か？

主な発見

• YbMnBi₂は、約 0.3π の非ゼロのベリー位相を示し、ディラックフェルミオンにおける強いスピンオービット結合と非自明なトポロジーを示している。
• サイクロトロン質量は非常に小さく（約 0.05mₑ）あり、ディラックフェルミオンが期待される線形分散と整合的である。
• 面内磁気抵抗は、臨界場 B* において放物線的から線形的場依存にクロスオーバーし、温度上昇に伴い B* が増加する。この挙動は、量子限界スケーリング B* = (1/2eħvF²)(kBT + EF)² に従う。
• 角度依存磁気抵抗は2重対称性を示し、B∥c軸で最大MR、Bがab面内にあるときに最小MRを示す。これは、支配的である準2次元フェルミ面と整合的である。
• ホール抵抗率における量子振動は、電子およびホールポケットの両方を示しており、2次元的および3次元的性質の複雑な相互作用を示すフェルミ面の複雑さを示している。
• 高場域において Kohler の法則が成立しており、単一の支配的散乱時間を持つことを示し、多バンド寄与があるにもかかわらず、輸送においてディラック状態が支配的であることが示された。