[논문 리뷰] Anomalous magnetoresistance in TaAs$_2$

Yongkang Luo, R. McDonald외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 21.

Topological Materials and Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 디랙 또는 와이울 페르미온이 존재하지 않음에도 불구하고 반도체성 탄탈룸 아르세나이드( TaAs₂ )에서 3 T 및 저온에서 −98%에 이르는 기염된 음성 자기저항(−98%)을 보고한다. 밀도함수이론을 사용하여 저자들은 TaAs₂가 비자명한 Z₂ 호모로지 수(0;111)를 가진 새로운 토폴로지 반도체로 규명하였으며, 이는 비자기성 반도체에서의 음성 자기저항이 아드러-벨-자키 약화 현상에 의해만 기인할 수 없다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

The resistance of a metal in a magnetic field can be very illuminating about its ground state. Some famous examples include the integer and fractional quantum Hall effects\cite{Klitzing-QHE,Tsui-FQHE}, Shubnikov-de Haas oscillations\cite{SdH}, and weak localization\cite{Lee-WL} \emph{et al}. In non-interacting metals the resistance typically increases upon the application of a magnetic field\cite{Pippard-MR}. In contrast, in some special circumstances metals, with anisotropic Fermi surfaces\cite{Kikugawa-PdCoO2LMR} or a so-called Weyl semimetal for instance\cite{Nielsen-ABJ,Son-ChirAnom}, may have negative magnetoresistance. Here we show that semimetallic TaAs$_2$ possesses a gigantic negative magnetoresistance ($-$98\% in a field of 3 T at low temperatures), with an unknown mechanism. Density functional calculations illustrate that TaAs$_2$ is a new topological semimetal [$\mathbb{Z}_2$ invariant (0;111)] without a Dirac dispersion. This demonstrates that the presence of negative magnetoresistance in non-magnetic semimetals cannot be uniquely attributed to the Adler-Bell-Jackiw anomaly of bulk Dirac/Weyl fermions. Our results also imply that the OsGe$_2$-type monoclinic dipnictides are likely a material basis where unconventional topological semimetals may be found.

연구 동기 및 목표

• 비자기성 반도체인 TaAs₂에서 기이한 음성 자기저항의 기원을 조사하는 것.
• 관측된 음성 자기저항이 와이울 페르미온과 관련된 아드러-벨-자키 약화 현상에 기인하는지 여부를 규명하는 것.
• 최초 원리 계산을 통해 TaAs₂의 전자 구조를 분류하고 그 토폴로지 성격을 규명하는 것.
• 비정상적인 토폴로지 반도체를 위한 후보로서 오스뮴 게르마이드 유사 단세립계 이피니디드가 적합한지 탐색하는 것.

제안 방법

• 변동하는 자기장과 온도 조건에서 TaAs₂의 자기저항을 측정하기 위해 운반 측정을 수행하는 것.
• 전자 밴드 구조와 토폴로지 호모로지 수를 결정하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하는 것.
• Z₂ 호모로지 수(0;111)를 계산하여 TaAs₂를 토폴로지 반도체로 분류하는 것.
• 디랙 또는 와이울 노드의 존재 여부를 배제하기 위해 피어미 표면 기하학과 전자 분산을 분석하는 것.
• 약한 국소화 및 캐리얼 약화 효과 이론 모델과 관측된 자기저항 행동을 비교하는 것.
• 대칭 분석을 통해 결정 구조가 토폴로지 상태를 어떻게 유지하는지 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디랙 또는 와이울 페르미온이 없는 상황에서 TaAs₂에서 기이한 음성 자기저항은 무엇에 기인하는가?
• RQ2 TaAs₂에서 관측된 음성 자기저항은 아드러-벨-자키 약화 현상과 일치하는가?
• RQ3 Z₂ 호모로지 수와 밴드 구조를 통해 결정된 TaAs₂의 토폴로지 성격은 무엇인가?
• RQ4 와이울이 아니며 디랙도 아닌 반도체에서 큰 음성 자기저항을 나타낼 수 있는가?
• RQ5 OsGe₂ 유사 단세립계 이피니디드는 비정상적인 토폴로지 반도체를 위한 유망한 계열인가?

주요 결과

• TaAs₂는 3 T 및 저온에서 −98%에 이르는 기염된 음성 자기저항을 나타내며, 산란의 강한 자기장 유도 감소를 시사한다.
• 밀도함수이론 계산을 통해 TaAs₂가 디랙 또는 와이울 노드가 없음에도 불구하고 비자명한 Z₂ 호모로지 수(0;111)를 가진 토폴로지 반도체임을 확인한다.
• 시스템이 부피 캐리얼 페르미온을 갖지 않기 때문에 음성 자기저항은 아드러-벨-자키 약화 현상으로 설명될 수 없다.
• 기이한 음성 자기저항의 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았으며, 캐리얼 약화 현상 이외의 새로운 물리학이 존재할 가능성을 시사한다.
• OsGe₂ 유사 단세립계 이피니디드 가족은 비정상적인 토폴로지 반도체를 발견하기 위한 유망한 플랫폼으로 규명된다.
• 결과는 와이울 또는 디랙 페르미온 행동과는 독립적으로 기이한 운반 특성을 나타내는 토폴로지 반도체가 존재할 수 있음을 암시한다.