[논문 리뷰] Impurity dependent superconductivity, Berry phase and bulk Fermi surface of the Weyl type-II semi-metal candidate MoTe2

Daniel Rhodes, Qiong Zhou외 10명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 29.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고품질 단일결정 β-MoTe₂에서 초전도성, 베리 위상, 및 페르미 표면 위상구조를 조사하여, 불순물에 의존하는 초전도 전이 온도와 색수축-드 하스 진동을 통해 유도된 비자명한 베리 위상 ≈π를 규명하였다. 실험적으로 추출된 페르미 표면 기하학은 이론적 예측과 상당히 다름을 보이며, 100 K 이하에서 구조적 및 전자적 진화가 일어나고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Orthorhombic MoTe$_2$ and its isostructural compound WTe$_2$ were recently claimed to belong to a new class (type II) of Weyl semi-metals characterized by a linear touching between hole and electron Fermi surfaces in addition to nodal lines. To validate these predictions, we synthesized high quality single-crystals of $\beta$-MoTe$_2$, finding that its superconducting transition temperature depends on disorder as quantified by the ratio between the room- and low-temperature resistivities. Similar to WTe$_2$, its magnetoresistivity does not saturate at high magnetic fields and can easily surpass $10^{6}$ %, with the superimposed Shubnikov de Haas oscillations revealing a non-trivial Berry phase of $\simeq \pi$. The geometry of the Fermi surface, as extracted from the quantum oscillations, is markedly distinct from the calculated one. A broad anomaly seen in the heat capacity and in the Hall-effect indicates that the crystallographic and the electronic structures evolve upon cooling below 100 K, likely explaining the discrepancy between these recent predictions and our experimental observations.

연구 동기 및 목표

• β-MoTe₂가 선형으로 만날 전자 및 정공 페르미 표면을 가진 타입-II 와일 세미메탈임을 최근 이론 예측을 검증하기 위해.
• 고품질 단일결정 β-MoTe₂에서 불순물이 초전도 전이 온도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 양자 진동을 통한 전자 구조 탐색 및 페르미 표면 기하학과 베리 위상 추출하기 위해.
• 100 K 이하에서 열용량과 홀 효과의 이질성을 검토하여 실험과 이론 간의 괴리 이해하기 위해.

제안 방법

• 외부 불순물 효과를 최소화하기 위해 고품질 단일결정 β-MoTe₂의 합성.
• 실온 및 저온에서의 저항도 측정을 통해 ρ293/ρ4.2 비율을 이용해 불순물 정도 정량화.
• 최대 30 T까지의 고자기장 전기저항 측정을 통해 10⁶ %를 초월하는 비포화 행동 관찰.
• 샤브니코프-드 하스 진동 분석을 통해 베리 위상과 페르미 표면 위상구조 추출.
• 100 K 이하에서의 열용량 및 홀 효과 측정을 통해 구조적 또는 전자적 전이 탐지.
• 실험적으로 유도된 페르미 표면 기하학과 백터 이론 계산 간 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온 대비 저온에서의 저항도 비율로 정량화된 불순물이 β-MoTe₂의 초전도 전이 온도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 β-MoTe₂에서의 베리 위상 값은 얼마이며, 이는 어떤 비자명한 위상 전자 구조를 의미하는가?
• RQ3 실험적으로 결정된 β-MoTe₂의 페르미 표면 기하학은 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 100 K 이하에서 관측된 열용량 및 홀 효과의 이질성 원인은 무엇이며, 전자적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 β-MoTe₂에서 예측된 것과 관측된 페르미 표면 위상구조 사이에 상당한 괴리가 발생하는가?

주요 결과

• β-MoTe₂의 초전도 전이 온도는 ρ293/ρ4.2 저항도 비율에 의해 나타난 불순물에 의해 강하게 의존한다.
• 고자기장에서 전기저항은 10⁶ %를 초월하여 비포화 행동을 보이며, 강한 전자 상호작용을 시사한다.
• 샤브니코프-드 하스 진동은 비자명한 베리 위상 약 ≈π를 밝혀내며, 이는 비자명한 위상 상태와 일치한다.
• 실험적으로 추출된 페르미 표면 기하학은 백터 이론 계산과 상당히 다름을 보이며, 예측된 타입-II 와일 세미메탈 거동에서 벗어나 있음을 시사한다.
• 100 K 이하에서 열용량 및 홀 효과에 관측된 넓은 이질성은 구조적 또는 전자적 전이를 나타내며, 관측된 괴리의 주요 원인일 가능성이 있다.
• 100 K 이하에서의 결정학적 및 전자적 구조의 진화는 이론 모델이 β-MoTe₂의 페르미 표면을 정확히 기술하지 못하는 데 기여할 수 있다.