[논문 리뷰] Intervalley Tunneling and Crossover from the Positive to Negative Interlayer Magnetoresistance in Quasi-Two-Dimensional Dirac Fermion System with or without Mass Gap

Takao Morinari|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 12.

Organic and Molecular Conductors Research참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고압 조건에서 압축된 α-(BEDT-TTF)2I3와 같은 준2차원 디рак 페르미온 시스템에서, 중간에 존재하는 이소인화물 층을 통한 간섭밸리 터널링이 디рак 점에서의 패피 수준이더라도 양의 다층 자기저항을 유도한다고 제안한다. 영점 에너지 랑랑 수준에 의해 유도되는 양의 자기저항에서 음의 자기저항으로의 전이—이것은 질량이 없는 디рак 페르미온과 질량이 있는 디рак 페르미온을 구별하는 서명으로 기능하며, 영온도에서의 전이 자기장으로부터 페르미 속도와 산란률의 비율을 추출할 수 있다.

ABSTRACT

We theoretically investigate the interlayer magnetoresistance in quasi-two-dimensional Dirac fermion systems, where the Fermi energy is at the Dirac point. If there is an intermediate insulating layer that has an overlap with the wave functions in the Dirac fermion layers, there appears a positive magnetoresistance regime due to the intervalley tunneling. We show that the interlayer magnetoresistance can be used to find whether Dirac fermions are massive or not from the minimum in the interlayer magnetoresistance. As a specific system, we consider \alphaI under high pressure. We also discuss that one has to be careful in analyzing the crossover temperature from the positive to negative magnetoresistance. A simple picture is applied to the crossover in the zero temperature limit but it does not apply to the data at finite temperatures. We show that the ratio of the Fermi velocity to the scattering rate is evaluated from the zero temperature limit of the crossover temperature.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 α-(BEDT-TTF)2I3에서 관측된 다층 자기저항의 실험적 전이를 설명하기 위해.
• 이소인화물 층을 통한 간섭밸리 터널링이 양의 자기저항을 유도하는 역할를 명확히 하기 위해.
• 다층 자기저항이 질량이 없는 디랙 페르미온과 질량이 있는 디랙 페르미온을 구별하는 데 사용될 수 있음을 확립하기 위해.
• 실험적 자기저항 데이터로부터 페르미 속도 대 산란률 비율을 추출하는 방법을 유도하기 위해.

제안 방법

• 이so인화물 층을 통한 간섭밸리 터널링을 포함하는 효과적 다층 터널링 해밀토니안을 제2차 펌프테이션 이론를 사용하여 수립하였다.
• 랜드의 수준 파동함수를 사용하여 쿠보 공식을 적용해 자기장 하에서의 다층 도전도 공식을 유도하였다.
• 랜드 수준 에너지 스펙트럼 및 파동함수 형식에 질량이 없는 디랙 페르미온과 질량이 있는 디랙 페르미온 스펙트럼을 모두 통합하였다.
• 랜드 수준 간의 간섭밸리 터널링을 위한 행렬 요소를 사용하여 도전도를 계산하였다.
• 양의 자기저항에서 음의 자기저항으로의 전이 영역을 구분하는 영온도에서의 전이 자기장을 분석하였다.
• 스펙트럼 넓힘과 페르미-디랙 통계를 도입하여 유 end한 온도 효과를 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 조건에서 α-(BEDT-TTF)2I3에서 음의 자기저항이 시작되기 이전에 관측된 초기 양의 자기저항은 어떤 메커니즘에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 이소인화물 층을 통한 간섭밸리 터널링은 디랙 페르미온 시스템에서 다층 자기저항에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 다층 자기저항은 질량이 없는 디랙 페르미온과 질량이 있는 디랙 페르미온을 구별할 수 있는가?
• RQ4 양의 자기저항에서 음의 자기저항으로의 전이 자기장의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ5 실험적 자기저항 데이터로부터 페르미 속도 대 산란률 비율을 어떻게 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 이소인화물 층을 통한 간섭밸리 터널링은 약한 자기장 영역에서 양의 자기저항 영역을 유도하며, 이는 영점 에너지 랑드 수준에 의해 기대되는 음의 자기저항과는 정반대이다.
• 양의 자기저항에서 음의 자기저항으로의 전이가 일어나는 자기장은 질량 갭의 유무에 따라 달라지며, 이는 디랙 페르미온 스펙트럼의 식별에 기여한다.
• 영온도에서의 전이 자기장은 페르미 속도 대 산란률 비율과 직접적으로 관련되어 있으며, 이는 준입자 동역학을 정량적으로 분석할 수 있는 수단을 제공한다.
• 이 모델은 고압 조건에서 α-(BEDT-TTF)2I3에서 저자기장 영역에서의 양의 자기저항과 고자기장 영역에서의 음의 자기저항을 실험적으로 관측한 현상을 설명할 수 있다.
• 유한온도 효과는 단순한 영온도 전이 모델을 무효화하며, 이에 따라 전이 자기장에 대한 보다 정교한 분석이 필요하다.
• 다층 도전도 공식은 내밸리 및 간섭밸리 터널링을 모두 고려하며, 질량 갭 효과를 포함한 랑드 수준 파동함수로부터 유도된 행렬 요소를 포함한다.