[논문 리뷰] Fermi surface topology and negative magnetoresistance observed in centrosymmetric NbAs2 semimetal

Bing Shen, Xiaoyu Deng외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 04.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 중심대칭성 NbAs2의 전자 구조와 전송 성질을 조사하여, 전자-정공 보상으로 인해 9 T 및 1.8 K에서 8000까지 포화되지 않는 횡방향 자기저항을 관측하였다. 각도 의존성 Shubnikov-de Haas 진동과 제1원리 계산을 통해 네 개의 피에르 표면 풍선이 확인되었지만, 감마 표면 풍선은 양자 진동에서 확인되지 않았으며, 음의 縦자기저항은 가능한 위상적 상태의 존재를 시사하며 향후 연구가 필요하다.

ABSTRACT

We report transverse and longitudinal magneto-transport properties of NbAs2 single crystals. Attributing to the electron-hole compensation, non-saturating large transverse magnetoresistance reaches up to 8000 at 9 T at 1.8 K with mobility around 1 to 2 m^2V^-1S^-1. We present a thorough study of angular-dependent Shubnikov-de Haas (SdH) quantum oscillations of NbAs2. Three distinct oscillation frequencies are identified. First-principles calculations reveal four types of Fermi pockets: electron alpha pocket, hole beta pocket, hole gamma pocket and small electron delta pocket. Although the angular dependence of alpha, beta and delta agree well with the SdH data, it is unclear why the gamma pocket is missing in SdH. Negative longitudinal magnetoresistance is observed which may be linked to novel topological states in this material, although systematic study is necessary to ascertain its origin.

연구 동기 및 목표

• 양자 진동 측정을 통해 중심대칭성 NbAs2의 피에르 표면 기하학을 조사하기 위해.
• 제1원리 계산을 통해 NbAs2의 전자 구조를 식별하고 특성화하기 위해.
• NbAs2에서 큰 비포화 횡방향 자기저항의 기원을 이해하기 위해.
• 음의 종방향 자기저항의 발생 원인을 탐색하고 위상적 상태와의 잠재적 연관성을 조사하기 위해.
• 양자 진동에서 관측된 피에르 표면 풍선과 계산에서 예측된 것 사이의 괴리 문제를 해결하기 위해.

제안 방법

• 저온에서 고순도 NbAs2 단일결정에서 횡방향 및 종방향 자기전도 측정을 수행하였다.
• 각도 의존성 Shubnikov-de Haas (SdH) 진동 분석을 통해 피에르 표면 매개변수와 표면 형태를 추출하였다.
• 제1원리 전자 구조 계산을 통해 피에르 표면 기하학을 예측하고 실험 결과를 검증하였다.
• 이동도는 측정된 전도도 데이터로부터 추정되었으며, 약 1–2 m²V⁻¹s⁻¹ 수준이었다.
• SdH 진동의 각도 의존성을 이론적 피에르 표면 모델과 비교하여 관측된 주파수를 할당하였다.
• 종방향 자기저항에 대한 체계적 분석을 수행하여 위상적 상태와의 잠재적 연관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NbAs2의 완전한 피에르 표면 기하학은 무엇이며, 전자 표면 풍선은 전도 성질에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 계산에서 예측된 감마 피에르 표면 풍선은 왜 각도 의존성 SdH 진동에서 관측되지 않는가?
• RQ3 9 T 및 1.8 K에서 8000을 초과하는 비포화 횡방향 자기저항이 발생하는 원인는 무엇인가?
• RQ4 이 물질에서 관측된 음의 종방향 자기저항의 기원은 무엇인가?
• RQ5 음의 자기저항은 중심대칭성 NbAs2에서 새로운 위상적 상태의 징후일 수 있는가?

주요 결과

• 9 T 및 1.8 K에서 최대 8000까지 비포화 횡방향 자기저항이 관측되었으며, 이는 전자-정공 보상으로 인한 것으로 기인되었다.
• 세 가지 별도의 SdH 진동 주파수를 확인하였으며, 이는 알파, 베타, 델타 표면 풍선에 해당한다.
• 제1원리 계산에서 네 개의 피에르 표면 풍선이 밝혀졌는데, 전자 알파, 정공 베타, 정공 감마, 그리고 작은 전자 델타이다.
• 알파, 베타, 델타 표면 풍선의 각도 의존성이 SdH 데이터와 잘 일치하지만, 감마 표면 풍선은 진동에서 확인되지 않는다.
• 음의 종방향 자기저항이 관측되었으며, 이는 위상적 상태의 기여 가능성을 시사하지만 기원은 확인되지 않았다.
• SdH에서 누락된 감마 표면 풍선과 계산에서 존재하는 것 사이의 괴리 문제는 여전히 설명되지 않았다.