[논문 리뷰] Hall anomaly, Quantum Oscillations and Possible Lifshitz Transitions in Kondo Insulator YbB$_{12}$: Evidence for Unconventional Charge Transport

Ziji Xiang, Kuan-Wen Chen외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 17.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 고자기장 전도도 및 토크 자화도 측정을 통해 콘도 고립체 YbB12에서 비표준 전하 운반 메커니즘을 규명하였으며, 19.6 T와 약 31 T에서 필드 유도 리프시츠 전이, 홀 이상현상, 양자 진동을 확인하였다. 데이터는 전하 중성 준입자와 비금속성 전하 운반자들이 공존하는 이중 유체 모델을 지지하며, 랑주르 양자화와 산란이 관측 가능한 쇼비니코프-드 하아스 효과를 가능하게 하여 새로운 양자물질 상태의 존재를 시사한다.

ABSTRACT

In correlated electronic systems, strong interactions and the interplay between different degrees of freedom may give rise to anomalous charge transport properties, which can be tuned by external parameters like temperature and magnetic field. Recently, magnetic quantum oscillations and metallic low-temperature thermal conductivity have been observed in the Kondo insulator YbB$_{12}$, whose resistivity is a few orders of magnitude higher than those of conventional metals. As yet, these unusual observations are not fully understood. Here we present a detailed investigation of the behavior of YbB$_{12}$ under intense magnetic fields using both transport and torque magnetometry measurements. A low-field Hall anomaly, reminiscent of the Hall response associated with "strange-metal" physics, develops at $T < 1.5$ K. At two characteristic magnetic fields ($μ_0H_1= 19.6$ T and $μ_0H_2 \sim 31$ T), signatures appear in the Hall coefficient, magnetic torque, and magnetoresistance. We suggest that they are likely to be field-induced Lifshitz transitions. Moreover, above 35 T, the background resistivity displays an unusual, nonmetallic $T^α$-behavior, with $α$ being field-dependent and varying between -1.5 and -2. By normalizing the Shubnikov-de Haas oscillation amplitude to this $T^α$-dependence, the calculated cyclotron mass becomes more consistent with that deduced from de Haas-van Alphen oscillations. Our results support a novel two-fluid scenario in YbB$_{12}$: a Fermi-liquid-like fluid of charge-neutral quasiparticles coexists with charge carriers that remain in a nonmetallic state. The former experience successive Lifshitz transitions and develop Landau quantization in applied magnetic fields, whilst scattering between both fluids allows the Shubnikov-de Haas effect to be observed in the electrical transport.

연구 동기 및 목표

• 콘도 고립체 YbB12에서의 이례적인 저온 저항도 및 금속성 열전도도의 기원을 규명하기 위해.
• 강한 자기장 하에서 홀 이상현상과 양자 진동의 성격을 조사하기 위해.
• 필드 유도 리프시츠 전이가 관측된 자화도 및 진동 주파수의 변화를 설명하는 데 기여하는지 확인하기 위해.
• 공존하는 페르미 액체 유사 및 비금속성 전하 운반자들을 포함하는 이중 유체 가설을 검증하기 위해.
• 전자 상호작용과 하이브리드화 갭 물리학이 비표준 전도도를 가능하게 하는 역할을 규명하기 위해.

제안 방법

• 최대 35 T의 자기장 하에서 YbB12 단일결정에 대해 고정밀 전도도 및 토크 자화도 측정을 수행하였다.
• 홀 저항도 및 자화도를 분석하여 자기장에 의존하는 홀 계수와 양자 진동 주파수를 추출하였다.
• 진동 성분의 빠른 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 주요 양자 진동 주파수와 그 고조파를 식별하였다.
• 비금속성 T^α 배경 저항도에 대해 쇼비니코프-드 하아스 진동 진폭을 정규화하여 일관된 코끼리 질량을 추출하였다.
• 저항도의 자기장 의존성을 T^α로 모델링하였으며, α 값이 -1.5에서 -2 사이에 있어 비페르미 액체 거동을 나타내었다.
• 결정 전기장(Crystal Electric Field, CEF) 준위와 증강 효과가 필드 유도 갭 닫힘 및 가능한 전이에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T < 1.5 K에서 YbB12의 홀 이상현상은 무엇으로 인해 발생하며, 표준 이중밴드 드류 모델에서 어떻게 벗어나는가?
• RQ2 μ₀H₁ = 19.6 T와 μ₀H₂ ≈ 31 T에서 관측된 특징은 필드 유도 리프시츠 전이를 나타내는가?
• RQ3 쇼비니코프-드 하아스 효과의 양자 진동은 피어미 표면 및 코끼리 질량의 변화와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 자기장에 따라 변화하는 α를 가지는 비금속성 T^α 저항도 배경의 기원은 무엇인가?
• RQ5 전하 중성 준입자와 비금속성 전하 운반자의 공존이 관측된 전도 이면 현상을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 홀 저항도는 표준 이중밴드 드류 모델과 불일치하는 강한 비선형 자기장 의존성을 보이며, 비표준 산란 메커니즘을 시사한다.
• T = 1.5 K 이하에서 저자기장 홀 이상현상이 나타나며, 이상금속 물리학과 유사한 행동을 보여 비페르미 액체 물리학을 시사한다.
• μ₀H₁ = 19.6 T와 μ₀H₂ ≈ 31 T에서 홀 계수, 자화력, 자화도에 명백한 서명이 나타나며, 이는 양자 진동 주파수의 변화와 동시에 발생한다.
• 35 T 이상에서 양자 진동이 가장 뚜렷하며, 주된 주파수 F ≈ 670–680 T이며, FFT 스펙트럼에서 명확한 고조파가 관측된다.
• 배경 저항도는 비금속성 T^α 의존성을 보이며, α 값은 자기장에 따라 변화하며 -1.5에서 -2 사이에 있어 강한 전자 상호작용 효과를 나타낸다.
• 쇼비니코프-드 하아스 진동 진폭을 T^α 배경에 대해 정규화하면, 드 하아스-반 알펜 측정 결과와 일치하는 코끼리 질량이 도출되며, 이는 이중 유체 모델을 지지한다.