[논문 리뷰] Large and unsaturated negative magnetoresistance induced by the chiral anomaly in the Weyl semimetal TaP

Chandra Shekhar, F. Arnold외 14명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 22.

Topological Materials and Phenomena인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 페르미 에너지가 와이울 노드에서 멀리 떨어져 있어 페르미 노드의 페르미 에너지가 잘 정의되지 않는 경우에도, 와이울 반도체 TaP에서 큰 비포화 음성 자기저항을 입증한다. 각도에 의존하는 양자진동 스펙트로스코피와 밴드 구조 계산을 통해 스핀 분리된 바나나 모양의 페르미 포켓을 규명하고, 동축 전기장과 자기장 조건 하에서 카이랄성 자기 효과가 유지됨을 확인하여, 비이상적인 와이울 시스템에서 카이랄성 이 anomaly를 탐지하기 위한 강력한 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Weyl semimetals (WSMs) are topological quantum states wherein the electronic bands linearly disperse around pairs of nodes, the Weyl points, of fixed (left or right) chirality. The recent discovery of WSM materials triggered an experimental search for the exotic quantum phenomenon known as the chiral anomaly. Via the chiral anomaly nonorthogonal electric and magnetic fields induce a chiral density imbalance that results in an unconventional negative longitudinal magnetoresistance, the chiral magnetic effect. Recent theoretical work suggests that this effect does not require well-defined Weyl nodes. Experimentally however, it remains an open question to what extent it survives when chirality is not well-defined, for example when the Fermi energy is far away from the Weyl points. Here, we establish the detailed Fermi surface topology of the recently identified WSM TaP via a combination of angle-resolved quantum oscillation spectra and band structure calculations. The Fermi surface forms spin-polarized banana-shaped electron and hole pockets attached to pairs of Weyl points. Although the chiral anomaly is therefore ill-defined, we observe a large negative magnetoresistance (NMR) appearing for collinear magnetic and electric fields as observed in other WSMs. In addition, we show experimental signatures indicating that such longitudinal magnetoresistance measurements can be affected by an inhomogeneous current distribution inside the sample in a magnetic field. Our results provide a clear framework how to detect the chiral magnetic effect.

연구 동기 및 목표

• 와이울 반도체에서 카이랄성이 잘 정의되지 않을 경우 카이랄성 이 anomaly와 관련된 음성 자기저항이 유지되는지 조사하는 것.
• 양자진동 측정과 밀도함수이론 계산을 통해 TaP의 페르미 표면 기하학을 상세히 매핑하는 것.
• 카이랄성 자기 효과를 자료에서 잘 정의되지 않은 와이울 노드를 가진 물질에서 실험적으로 관찰할 수 있는 조건을 규명하는 것.
• 직류 자기장 측정에 영향을 줄 수 있는 실험적 오염원, 예를 들어 비균일한 전류 분포 등을 식별하고 특성화하는 것.

제안 방법

• TaP의 페르미 표면 기하학을 조사하기 위해 각도에 의존하는 de Haas–van Alphen 양자진동 스펙트로스코피.
• 관측된 페르미 표면 기하학과 와이울 점의 위치를 검증하기 위해 밀도함수이론 기반의 밴드 구조 계산.
• 동축 전기장과 자기장 하에서 종방향 자기저항을 측정하여 카이랄성 자기 효과를 탐지하는 것.
• 전기적 및 이론적 모델링을 통한 자기장 내 전류 분포 비균일성 분석.
• 와이울 점 근처의 스핀 분리된 페르미 표면 포켓과 관측된 자기저항 거동 간의 상관관계 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르미 에너지가 와이울 노드에서 멀리 떨어져 있어 카이랄성이 잘 정의되지 않을 경우, 카이랄성 자기 효과가 유지되는가?
• RQ2 TaP의 정확한 페르미 표면 기하학은 무엇이며, 카이랄성 이 anomaly와 어떤 관계가 있는가?
• RQ3 자기장 내에서 비균일한 전류 분포가 종방향 자기저항 측정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 복잡한 스핀 분리된 페르미 표면 포켓을 가진 와이울 반도체에서 카이랄성 자기 효과를 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• TaP의 페르미 표면은 스핀 분리된 바나나 모양의 전자 및 정공 포켓으로 구성되어 있으며, 이는 쌍별로 와이울 점에 연결되어 있어 복잡한 기하학적 위상 구조를 확인한다.
• 와이울 노드에서 페르미 에너지가 멀리 떨어져 있어 카이랄성이 잘 정의되지 않는 상황에서도, 동축 전기장과 자기장 하에서 큰 음성 자기저항이 관측된다.
• 음성 자기저항의 크기는 포화되지 않아 강력한 카이랄성 이 anomaly 반응임을 시사한다.
• 실험적 서명은 자기장 내에서 비균일한 전류 분포가 종방향 자기저항 측정에 상당한 영향을 줄 수 있음을 시사한다.
• 결과적으로, 전통적인 카이랄성 조건이 엄격히 충족되지 않더라도, 와이울 반도체에서 카이랄성 자기 효과를 신뢰할 수 있는 방법으로 탐지할 수 있는 프레임워크를 수립한다.