[논문 리뷰] Induced anomalous Hall effect of massive Dirac fermions in ZrTe5 and HfTe5 thin flakes

Yanzhao Liu, Huichao Wang외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 15.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 비자기성 ZrTe5 및 HfTe5 박막에서 고자기장 조건 하에서, 와이울 포인트 없이 질량이 있는 디рак 밴드의 분리에 의해 기인하는 비정상적인 헬 효과(AHE)를 입증한다. AHE는 10 T 이상에서 55 (ZrTe5) 및 70 (HfTe5) ohm⁻¹·cm⁻¹로 포화되며, 베리 기울기 계산을 통해 약한 위상적 절연체 상태가 확인되어, 위상적 물질의 밴드 위상 구조를 탐지하는 새로운 수단을 제공한다.

ABSTRACT

Researches on anomalous Hall effect (AHE) have been lasting for a century to make clear the underlying physical mechanism. Generally, the AHE appears in magnetic materials, in which extrinsic process related to scattering effects and intrinsic contribution connected with Berry curvature are crucial. Recently, AHE has been counterintuitively observed in non-magnetic topological materials and attributed to the existence of Weyl points. However, the Weyl point scenario would lead to unsaturated AHE even in large magnetic fields and contradicts the saturation of AHE in several tesla (T) in experiments. In this work, we investigate the Hall effect of ZrTe5 and HfTe5 thin flakes in static ultrahigh magnetic fields up to 33 T. We find the AHE saturates to 55 (70) Ohm^-1*cm^-1 for ZrTe5 (HfTe5) thin flakes above ~ 10 T. Combining detailed magnetotransport experiments and Berry curvature calculations, we clarify that the splitting of massive Dirac bands without Weyl points can be responsible for AHE in non-magnetic topological materials ZrTe5 and HfTe5 thin flakes. This model can identify our thin flake samples to be weak topological insulators and serve as a new tool to probe the band structure topology in topological materials.

연구 동기 및 목표

• 비자기성 위상적 물질에서 관측된 AHE 포화 현상과 와이울 포인트 기반 이론 예측 간의 모순을 해결하기 위해.
• 초고자기장(최대 33 T) 조건에서 ZrTe5 및 HfTe5 박막에서 비정상적인 헬 효과의 기원을 조사하기 위해.
• 와이울 포인트가 필요 없이 질량이 있는 디рак 페르미온의 밴드 분리가 관측된 AHE를 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• AHE 반응을 이용해 위상적 물질의 밴드 구조 위상 구조를 탐지하는 새로운 방법을 수립하기 위해.
• 자기적 대칭성 파괴를 수반하는 질량이 있는 디рак 페르미온의 존재를 기반으로 ZrTe5 및 HfTe5 박막의 위상적 성질을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 33 T에 이르는 정적 초고자기장 하에서 에폭시 분리된 ZrTe5 및 HfTe5 박막에 대해 자화전도 측정을 수행하였다.
• 비정상적인 헬 도전도를 추출하기 위해 정밀한 헬 저항 및 종방향 저항도 측정을 실시하였다.
• 밴드 위상과 AHE 반응 간의 연관성을 확립하기 위해, 처음부터 전자 구조 계산을 기반으로 한 베리 기울기 계산을 수행하였다.
• 역행 대칭성을 위반하는 스핀 분리가 일어난 질량이 있는 디рак 페르미온을 식별하기 위해 밴드 구조를 분석하였다.
• 고자기장에서 AHE가 포화되는 것(10 T 이상)을 핵심 제약 조건으로 삼아, 와이울 포인트 기반 메커니즘을 배제하였다.
• 실험적 AHE 크기와 이론적 베리 기울기 간의 상관관계를 분석하여 효과의 기원을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비자기성 ZrTe5 및 HfTe5 박막에서 관측된 비정상적인 헬 효과는 와이울 포인트를 도입하지 않고 설명될 수 있는가?
• RQ2 이 물질들에서 고자기장 조건 (~10 T) 에서 관측된 AHE 포화 현상의 기원은 무엇인가?
• RQ3 내재된 자화가 없는 조건에서 질량이 있는 디рак 밴드의 분리는 비정상적인 헬 효과에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 비정상적인 헬 효과가 이 물질들의 밴드 위상 구조의 위상적 성질을 탐지하는 데 얼마나 유용한가?
• RQ5 관측된 AHE는 ZrTe5 및 HfTe5에서 약한 위상적 절연체 상과 일치하는가?

주요 결과

• ZrTe5 및 HfTe5 박막에서 비정상적인 헬 효과는 각각 10 T 이상에서 55 및 70 ohm⁻¹·cm⁻¹로 포화되며, 이는 필드에 독립적인 강력한 기여를 나타낸다.
• 포화 행동은 와이울 포인트 모델 예측와 정면 배치되며, 고자기장에서도 AHE가 포화되지 않는다는 예측을 반박한다.
• 베리 기울기 계산 결과, 와이울 포인트 없이 질량이 있는 디랙 밴드의 분리가 AHE에 중요한 내재 기여를 생성함을 확인하였다.
• 관측된 AHE는 스핀 분리된 질량이 있는 디랙 페르미온에서 기인하는 비자기적 기여에 의해 발생하며, 비자기적 기여 기반의 내재 메커니즘으로 기인한다.
• 결과적으로 ZrTe5 및 HfTe5 박막은 약한 위상적 절연체로 식별되며, AHE는 그들의 밴드 위상 구조를 직접 탐지하는 수단이 된다.
• 이 연구는 자기적 질서에 의존하지 않는 비자기 물질의 위상적 밴드 구조를 AHE 반응을 통해 탐지하는 새로운 방법을 수립하였다.