[論文レビュー] Ultrahigh mobility and giant magnetoresistance in Cd$_3$As$_2$: protection from backscattering in a Dirac semimetal

Tian Liang, Quinn Gibson+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2014

Graphene research and applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ゼロ磁場下におけるバックスクatteringを抑制するトポロジカル保護機構に起因する、Cd₃As₂で観測された超高移動度（>10⁷ cm²/Vs）および巨大線形磁気抵抗を報告している。この保護は、ディラック半金属のバンド構造に起因し、量子寿命よりも10⁴倍長い輸送寿命を生じさせる。磁場が加わるとこの保護が解除され、Kohlerの法則に反する特異なH線形磁気抵抗が生じる。

ABSTRACT

Dirac semimetals and Weyl semimetals are 3D analogs of graphene in which crystalline symmetry protects the nodes against gap formation [1-3]. Na$_3$Bi and Cd$_3$As$_2$ were predicted to be Dirac semimetals [4,5], and recently confirmed to be so by photoemission [6-8]. Several novel transport properties in a magnetic field $\bf H$ have been proposed for Dirac semimetals [2,9-11]. Here we report an interesting property in Cd$_3$As$_2$ that was unpredicted, namely a remarkable protection mechanism that strongly suppresses back-scattering in zero $\bf H$. In single crystals, the protection results in a very high mobility that exceeds $>10^7$ cm$^2$/Vs below 4 K. Suppression of backscattering results in a transport lifetime 10$^4 imes$ longer than the quantum lifetime. The lifting of this protection by $\bf H$ leads to an unusual giant $\bf H$-linear magnetoresistance that violates Kohler's rule. We discuss how this may relate to changes to the Fermi surface induced by $\bf H$.

研究の動機と目的

• Cd₃As₂単結晶における超高移動度の起源を調査すること。
• トポロジカル保護が電子のバックスクatteringをどのように抑制するかを理解すること。
• ディラック半金属における輸送特性の磁場依存性を調査すること。
• 観測された磁気抵抗が、Kohlerの法則を含む従来のスケーリング則に違反するかどうかを特定すること。

提案手法

• 低温度下での高品質なCd₃As₂単結晶における電気的輸送特性の測定。
• バックスクattering保護の破壊を調べるための磁場の適用。
• 散乱の抑制を定量化するため、輸送寿命と量子寿命の比較。
• Kohlerの法則への適合性をテストするため、磁気抵抗挙動の分析。
• ディラック半金属状態の確認のため、角度分解光電子分光測定データの使用。
• 磁場下でのフェルミ面の変化を理論的に解釈し、観測された磁気抵抗の原因を説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cd₃As₂で観測された超高移動度は、低温度下で何に起因するか？
• RQ2 ディラック半金属のバンド構造に内在するトポロジカル保護は、どのように電子のバックスクatteringを抑制するか？
• RQ3 なぜCd₃As₂の磁気抵抗は、Kohlerの法則に反する線形磁場依存性を示すのか？
• RQ4 磁場を印加することで、なぜバックスクattering保護が解除されるのか？
• RQ5 磁場下でのフェルミ面にどのような変化が生じ、それが観測された輸送異常を説明できるか？

主な発見

• Cd₃As₂は4 K未満の温度で電子移動度が10⁷ cm²/Vsを超えることが確認され、優れた電子輸送特性を示している。
• Cd₃As₂における輸送寿命は、量子寿命よりも10⁴倍以上長いことが判明し、バックスクatteringの強い抑制を示している。
• このバックスクatteringの抑制は、ディラック半金属のバンド構造に内在するトポロジカル保護に起因する。
• 磁場を印加することでこの保護が解除され、Kohlerの法則に反する巨大線形磁気抵抗が生じる。
• 観測された磁気抵抗挙動は、磁場によって誘起されるフェルミ面トポロジーの変化に起因する可能性がある。