[논문 리뷰] Identifying the Dirac point composition in Bi1-xSbx alloys using the temperature dependence of quantum oscillations

Joon Sang Kang, Dung Vu외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 24.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 14인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 Bi1-xSbx 합금에서 디рак 점 조성(xc)을 실험적으로 규명하기 위해 온도 의존성 양자 진동 분석을 도입한다. Shubnikov-de Haas 진동 주파수 F(x,T)의 온도 의존성을 측정함으로써, dF/dT < 0는 디рак-유사 L-점 밴드를, dF/dT > 0는 평범한 포arus 밴드를 나타내며, 이는 xc ≈ 5±1 at.%에서 직접적인 실험적 방법을 제공한다.

ABSTRACT

The thermal chiral anomaly is a new mechanism for thermal transport that occurs in Weyl semimetals (WSM). It is attributed to the generation and annihilation of energy at Weyl points of opposite chirality. The effect was observed in the Bi1-xSbx alloy system, at x=11% and 15%, which are topological insulators at zero field and driven into an ideal WSM phase by an external field. Given that the experimental uncertainty on x is of the order of 1%, any systematic study of the effect over a wider range of x requires precise knowledge of the transition composition xc at which the electronic bands at the L-point in these alloys have Dirac-like dispersions. At x>xc, the L-point bands are inverted and become topologically non-trivial. In the presence of a magnetic field along the trigonal direction, these alloys become WSMs. This paper describes how the temperature dependence of the frequency of the Shubnikov-de Haas oscillations F(x,T) at temperatures of the order of the cyclotron energy can be used to find xc and characterize the topology of the electronic Fermi surface. Alloys with topologically trivial bands have dF(x,T)/dT>0, those with Dirac/Weyl fermions display dF(x,T)/dT<0.

연구 동기 및 목표

• Bi1-xSbx에서 L-점 밴드가 디рак-유사 상태가 되는 정확한 조성 xc 를 규명하는 것.
• 열적 카이랄 이상 현상을 체계적으로 연구하는 데 방해가 되는 x(±1%)의 실험적 불확실성을 해소하는 것.
• 동일한 물질 체계에서 위상적 밴드 구조의 진화를 신뢰할 수 있고 현장에서 적용 가능한 방법을 개발하는 것.
• 이론 예측인 디рак/와일러 페르미온이 양자 진동에서 dF/dT < 0를 나타낸다는 것을 검증하는 것.

제안 방법

• 2–20 K 범위에서 x = 2.1–7.2 at.% 범위의 Bi1-xSbx 합금에서 온도 의존성 Shubnikov-de Haas(SdH) 진동을 측정한다.
• 진동하는 자기저항에 푸리에 변환을 적용하여 각 x와 T에서 진동 주파수 F(x,T)를 추출한다.
• 온도 도함수 dF(x,T)/dT 분석을 통해 평범한 포arus 밴드(dF/dT > 0)와 디рак-유사 밴드(dF/dT < 0)를 구분한다.
• T-점 정공 밴드 매개변수(mT,z = 0.67me, mT,x = 0.064me)를 사용하여 정공 농도를 계산하고 T-밴드 기여를 배제한다.
• 추출된 피에르 피면 면적과 홀 측정 결과를 비교하여 진동의 기원이 L-점 전자임을 확인한다.
• SdH 진동에 띠형 피팅을 적용하여 주파수 불확실성과 오차 막대를 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi1-xSbx 합금에서 L-점 밴드가 평범한 상태에서 디랙-유사 상태로 전이되는 조성 xc 는 얼마인가?
• RQ2 양자 진동 주파수 F(x,T)의 온도 의존성이 평범한 밴드 분산과 디랙-유사 밴드 분산을 구분할 수 있는가?
• RQ3 dF/dT < 0는 위상적 반도체에서 디랙 페르미온을 나타내는 신뢰할 수 있는 실험적 서명으로 기능하는가?
• RQ4 F(x,T)의 온도 변화는 와일러 반도체 상에서 열적 카이랄 이상 현상의 발생과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 이 방법은 Bi1-xSbx 합금의 조성 불확실성을 해결하여 위상적 운반 현상의 체계적 연구를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 디랙-유사 L-점 밴드를 가진 합금에서 dF/dT < 0 가 실험적으로 확인되어 이론 예측을 검증한다.
• x = 4.1 at.%의 경우, 20 K까지도 진동이 잘 유지되어 강건한 양자 위상 일관성이 있음을 나타낸다.
• 2.1% 및 3.3% 표본은 dF/dT > 0 를 보이며, 평범한 포arus 밴드 특성을 확인한다.
• 5.3% 표본은 모호한 행동을 보이며, 가능성이 EQL 또는 전류 제트 효과 때문일 수 있다.
• 7.2% 표본에서는 진동이 관측되지 않아 위상적 절연체 상과 일치한다.
• 이 방법은 Bi1-xSbx 합금에서 xc ≈ 5±1 at.% 를 직접적으로 현장에서 진단할 수 있는 도구를 제공한다.