[논문 리뷰] Chiral anomaly induced negative magnetoresistance in topological Weyl semimetal NbAs

Xiaojun Yang, Yupeng Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 10.

Topological Materials and Phenomena인용 수 55

한 줄 요약

이 연구는 전기장과 자기장이 평행한 조건에서 토폴로지적 와일 세미메탈 NbAs에서 편미러성 이상에 기인한 음성 자기저항(_MR_)을 보고하며, 와일 페르미온의 양자 운동을 실험적으로 입증한다. 탄탈럼(Ta)에 비해 니오븀(Nb)의 원자량이 가벼운데도 불구하고 NbAs는 NbP보다 더 강한 스핀-오비트 결합을 보이며, 이는 저장에서의 양성_MR_ 곡절과 경쟁하는 특징을 보이며, 와일 세미메탈에서 As 원자가 스핀-오비트 결합에 기여하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In this paper, we report the intercone transport of Weyl fermions in NbAs with external magnetic field in parallel to electric field, a quantum phenomenon known as the Adler-Bell-Jackiw anomaly. Surprisingly, the resulting negative magnetoresistance (MR) in NbAs shows significant difference from NbP. The observed low-field positive MR dip, which is missing in NbP at low temperatures, indicates that the spin-orbital coupling (SOC) is significantly stronger in NbAs than in the former. The results imply that the contribution of arsenic to SOC in TaAs and NbAs is not negligible.

연구 동기 및 목표

• 전기장과 자기장이 평행한 조건에서 NbAs에서 와일 페르미온의 양자 운동 서명을 조사하기 위해.
• 와일 세미메탈에서의 편미러성 이상 효과와 관련하여 NbAs의 스핀-오비트 결합(SOC) 역할을 NbP 및 TaAs와 비교하기 위해.
• 원자량이 가벼운 As 원소가 와일 세미메탈에서 스핀-오비트 결합에 기여하는지 여부를 규명하기 위해.
• 편미러성 이상에 기인한 음성 MR와 스핀-오비트 결합에 의해 유도되는 양성 MR 곡절이 경쟁하는 양자 현상의 플랫폼으로서 NbAs를 확립하기 위해.
• Shubnikov-de Haas 진동을 통해 NbAs에서 비자명한 베리 위상과 랑주한 수준의 양자화를 실험적으로 입증하기 위해.

제안 방법

• 단일 결정 NbAs는 요오드를 운반제로 사용한 기체 이동법을 통해 성장되었으며, 스펙트로스코피 분석(EDX)을 통해 스토이히오메트리와 순도를 확인하였다.
• 고품질 단일 결정은 X선 회절 및 롤링 커브 측정을 통해 특성화되었으며, 반폭이 0.03°로 측정되어 뛰어난 결정 품질을 나타냈다.
• 장치에 전류를 통과시키는 방향과 상대적인 자기장 각도를 다양하게 조절하여, 종방향 저항 및 횡방향 홀 저항을 6단자 방법으로 측정하였다.
• 자기저항(MR)은 [ρ(H) − ρ(0)]/ρ(0)로 추출되었으며, 자기장 의존성과 온도 변화를 분석하였고, 전류 방향과 평행(θ = 0°) 및 수직(θ = 90°) 방향의 자기장 설정을 포함하였다.
• Shubnikov-de Haas(SdH) 진동은 저항 데이터에서 다항식 배경을 빼내어 추출되었으며, 랑주한 수준의 인덱스는 1/B 의존성에 의해 결정되었다.
• 온세거 관계식과 리플슈츠-온세거 양자화 법칙을 적용하여 SdH 진동 데이터로부터 피어미 표면의 단면적과 베리 위상을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 예측된 와일 세미메탈의 특성에 따라, 전기장과 자기장이 평행한 조건에서 NbAs는 편미러성 이상에 기인한 음성 자기저항을 나타내는가?
• RQ2 Nb의 원자량이 Ta보다 가벼운데도 불구하고, NbAs의 스핀-오비트 결합 강도는 NbP와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 As 원소는 와일 세미메탈인 NbAs 및 TaAs에서 스핀-오비트 결합에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 Shubnikov-de Haas 진동을 통해 NbAs에서 비자명한 베리 위상과 랑주한 수준의 양자화를 실험적으로 확인할 수 있는가?
• RQ5 왜 NbAs는 저온에서 NbP에서 관찰되지 않는 저장에서의 양성 MR 곡절을 보이며, 이는 전자 구조에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 자기장이 전류 방향과 평행할 경우, NbAs는 최대 -20%의 편미러성 이상에 기인한 음성 자기저항을 나타내며, 이는 이 물질에서 와일 페르미온의 양자 운동을 직접적으로 입증하는 첫 번째 실험적 증거이다.
• 2 K에서 0.5 T 이하의 저장에서 양성 MR 곡절이 관찰되었으며, 이는 저온에서 NbP에서는 관찰되지 않아, NbAs는 NbP보다 훨씬 강한 스핀-오비트 결합을 가짐을 시사한다.
• Shubnikov-de Haas 진동은 비자명한 π 베리 위상(β = 1/2)과 위상 이동 δ = 0.119를 제공하며, 이는 와일 노드를 둘러싼 전자 페르미 표면 풍선을 뒷받침한다.
• 진동 주파수로부터 계산된 피어미 표면 단면적은 2.38 × 10⁻³ Å⁻²로, 명확한 피어미 표면 풍선의 존재를 확인한다.
• 종방향 저항은 자기장 작용 하에서 금속성에서 절연체 유사 행동으로의 전이를 보이며, 저항의 비정상성 피크가 자기장 증가에 따라 높은 온도로 이동한다.
• 수직 자기장 하에서 300 K, 7 T 조건에서 최대 170%의 큰 선형 자기저항이 관찰되었으며, 이는 양자 한계에 도달하지 않았음에도 불구하고 3D 상대론적 전자 구조를 시사한다.