[논문 리뷰] Magnetoresistance in 3D Weyl Semimetals

Navneeth Ramakrishnan, Mirco Milletarì외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 15.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 RPA-Boltzmann 운반자 이론과 효과적 매질 평균화를 사용하여 3D 와일 밴드 반도체에서의 자화저항을 이론적으로 조사한다. 이는 전하를 띤 불순물에 의한 전자 산란을 모델링한다. 고자기장에서 자화저항이 제곱형에서 선형형으로 전이됨을 예측하며, 자화저항은 10를 초과한다. 이는 TlBiSSe에서 최근 실험 결과와 정량적으로 일치한다.

ABSTRACT

We theoretically investigate the transport and magnetotransport properties of three-dimensional Weyl semimetals. Using the RPA-Boltzmann transport scattering theory for electrons scattering off randomly distributed charged impurities, together with an effective medium theory to average over the resulting spatially inhomogeneous carrier density, we smoothly connect our results for the minimum conductivity near the Weyl point with known results for the conductivity at high carrier density. In the presence of a non-quantizing magnetic field, we predict that for both high and low carrier densities, Weyl semimetals show a transition from quadratic magnetoresistance (MR) at low magnetic fields to linear MR at high magnetic fields, and that the magnitude of the $MR \gtrsim 10$ for realistic parameters. Our results are in qualitative agreement with recent unexpected experimental observations on the mixed-chalcogenide compound TlBiSSe.

연구 동기 및 목표

• 와일 점 근처에서 3D 와일 반도체의 운반자 및 자운반도체 성질을 이해하기 위해.
• 저운반자 밀도에서의 최소 전도도와 고밀도 전도도 사이의 격차를 통합된 이론적 프레임워크를 통해 메우기 위해.
• 와일 반도체(예: TlBiSSe)에서 관측된 큰 비포화 자화저항을 설명하기 위해.
• 전하를 띤 불순물이 운반자 비균일성에 미치는 영향과 그 자운반도체 성질에 대한 영향을 모델링하기 위해.

제안 방법

• 랜덤하게 분포된 전하를 띤 불순물에 의한 전자 산란을 기술하기 위해 RPA-Boltzmann 운반자 이론을 적용한다.
• 불순물 산란으로 인한 공간 비균일한 운반자 밀도를 평균화하기 위해 효과적 매질 이론을 적용한다.
• 저밀도에서 고밀도에 이르기까지 다양한 운반자 밀도에서 전도도와 자화저항을 계산한다.
• 자기장에 따른 자화저항의 의존성을 분석하여 제곱형과 선형형 영역 간의 전이를 식별한다.
• 비양자화 자기장 조건에서 자화저항의 크기를 평가하기 위해 현실적인 물성 매개변수를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저밀도 및 고밀도 조건에서 3D 와일 반도체의 자화저항은 증가하는 자기장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 TlBiSSe에서 관측된 큰 자화저항의 근본 원인은 무엇이며, 이는 불순물 산란에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 전하를 띤 불순물에 의한 운반자 비균일성이 와일 점 근처의 운반자 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 제곱형에서 선형형 자화저항으로의 전이가 이론적으로 예측 가능하며, 알려진 전도도 영역과 연결될 수 있는가?

주요 결과

• 이론은 효과적 매질 평균화를 통해 와일 점 근처의 최소 전도도와 고밀도 전도도를 성공적으로 연결한다.
• 고자기장에서 운반자 밀도에 관계없이 제곱형에서 선형형 자화저항으로의 전이가 예측된다.
• 실제 물성 매개변수 조건에서 자화저항은 10를 초과하며, 실험 관측 결과와 일치한다.
• 결과는 TlBiSSe에서 관측된 놀랍게 큰 비포화 자화저항을 정량적으로 설명한다.