[논문 리뷰] Anisotropic Fermi surface probed by the de Haas-van Alphen oscillation in proposed Dirac Semimetal TaSb$_{2}$

Arnab Pariari, Ratnadwip Singha외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 09.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 탄탈륨안티몬화물(TaSb₂) 단일결정에서 de Haas-van Alphen (dHvA) 진동을 이용하여 이방성 피에르 표면을 탐구하며, 자석장이 서로 다른 결정학적 방향으로 회전할 때 세 개의 전자형 피에르 표면 포켓이 서로 다른 단면적을 가지는 것으로 밝혀졌다. 자화도의 이방성은 준입자 산란 시간의 차이로 기인하며, 자장을 75°에서 165°로 변화시킬 때 자화도는 약 20,000%에서 약 9,500%로 감소하여 전자적 운반자의 이방성에 대한 강한 의존성을 확인한다.

ABSTRACT

TaSb$_{2}$ has been predicted theoretically and proposed through magnetotransport experiment to be a topological semimetal. In earlier reports, the Shubnikov-de Haas oscillation has been analyzed to probe the Fermi surface, with magnetic field along a particular crystallographic axis only. By employing a sample rotator, we reveal highly anisotropic transverse magnetoresistance by rotating the magnetic field along different crystallographic directions. To probe the anisotropy in the Fermi surface, we have performed magnetization measurements and detected strong de Haas-van Alphen (dHvA) oscillations for the magnetic field applied along extbf{b} and extbf{c} axes as well as perpendicular to extbf{bc} plane of the crystals. Three Fermi pockets have been identified by analyzing the dHvA oscillations. Hall measurement reveals electron as the only charge carrier, i.e., all the three Fermi pockets are electron type. With the application of magnetic field along different crystal directions, the cross sectional areas of the Fermi pockets have been found significantly different. Other physical parameters, such as the effective mass of the charge carrier and Fermi velocity have also been calculated using the Lifshitz-Kosevich formula.

연구 동기 및 목표

• dHvA 진동 측정을 통해 제안된 디라크 반도체인 TaSb₂의 이방성 피에르 표면을 조사하기 위해.
• 자화도의 방향 의존성을 규명하고 이를 피에르 표면 기하학과 연관짓기 위해.
• 다른 결정학 축을 따라 dHvA 진동을 분석하여 다수의 피에르 포켓을 식별하고 특성화하기 위해.
• 산란 시간과 효과적 질량의 이방성이 횡방향 자화도 이방성에 기여하는 바를 설명하기 위해.
• 이전의 단일 축 측정을 뛰어넘어 피에르 표면 이방성을 해결함으로써 TaSb₂의 토폴로지적 성질에 대한 명확한 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 결정학적 축 b, c, 및 (c×b) 방향으로 자장을 회전시키며 자화도 측정을 수행하여 피에르 표면 이방성을 탐구하였다.
• de Haas-van Alphen (dHvA) 진동 분석을 통해 피에르 표면 단면적, 효과적 질량, 피에르 속도를 추출하였다.
• 열적 감쇠를 피팅하기 위해 Lifshitz-Kosevich 공식을 적용하여 효과적 질량 및 피에르 속도와 같은 물리적 매개변수를 추출하였다.
• dHvA 데이터의 빠른 푸리에 변환(FFT)을 통해 세 개의 서로 다른 진동 주파수를 식별하여 세 개의 피에르 포켓을 확인하였다.
• 2 K에서 다양한 자장 방향에 따라 횡방향 자화도를 측정하여 이방성과 피에르 표면 기하학을 연관지켰다.
• 모든 피에르 포켓에서 전자형 운반자임을 확인하기 위해 홀 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TaSb₂의 피에르 표면은 적용된 자장의 방향에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 TaSb₂에서 관측된 횡방향 자화도의 큰 이방성은 무엇에 기인하는가?
• RQ3 TaSb₂에는 다수의 피에르 포켓이 존재하는가? 그리고 서로 다른 결정학적 방향에서 단면적은 어떻게 다를까?
• RQ4 준입자 산란 시간은 자화도 이방성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 dHvA 진동은 특히 그가 제안된 디라크 반도체 행동을 갖는 맥락에서 TaSb₂의 피에르 표면 위상 구조를 명확하게 해결할 수 있는가?

주요 결과

• dHvA 진동을 통해 세 개의 고유한 피에르 포켓을 식별하였으며, 자장이 c축 방향으로 가해졌을 때 진동 주파수는 각각 372 T, 417 T, 454 T였다.
• 세 포켓의 피에르 표면 단면적은 유사한 값을 보였으며, 각각 35.2, 39.3, 51.4 ×10⁻² Å⁻²였다.
• 주요 피크인 372 T에서의 운반자 효과적 질량은 0.31 m₀로 계산되었으며, 피에르 속도는 3.9×10⁵ m/s였다.
• 횡방향 자화도는 자장 각도를 75°에서 165°로 변화시킬 때 약 9 T 및 2 K 조건에서 75° 설정 시 약 20,000%에서 165° 설정 시 약 9,500%로 감소하여 강한 이방성을 나타냈다.
• 자화도의 이방성은 주로 준입자 산란 시간의 차이로 기인하며, (c×b) 방향에서 피에르 표면 단면적의 감소로 인해 더 긴 τ가 관찰되었다.
• 홀 측정 결과 모든 세 피에르 포켓이 전자형임을 확인하여, TaSb₂가 전자 도핑된 성질을 지닌다는 것을 뒷받침했다.