[논문 리뷰] Magnetotransport in Sr3PbO antiperovskite with three-dimensional massive Dirac electrons

S. Suetsugu, K. Hayama외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 20.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 53인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 3차원 질량이 있는 디рак 전자를 수반할 것으로 예측된 입방형 안티퍼보스카이트인 단일결정 Sr₃PbO에서의 자기전도도를 조사한다. 양자 진동 및 자기저항 측정을 통해 매우 작은 정공 사이클로트론 질량 (~0.01–0.06 mₑ) 과 선형이며 온도에 의존하지 않는 자기저항을 입증하여, 3차원 질량이 있는 디рак 페르미온의 존재와 약 5 T에서 양자한계의 실현을 확인한다.

ABSTRACT

Novel topological phenomena are anticipated for three-dimensional (3D) Dirac electrons. The magnetotransport properties of cubic ${ m Sr_{3}PbO}$ antiperovskite, theoretically proposed to be a 3D massive Dirac electron system, are studied. The measurements of Shubnikov-de Haas oscillations and Hall resistivity indicate the presence of a low density ($\sim 1 imes 10^{18}$ ${ m cm^{-3}}$) of holes with an extremely small cyclotron mass of 0.01-0.06$m_{e}$. The magnetoresistance $Δρ_{xx}(B)$ is linear in magnetic field $B$ with the magnitude independent of temperature. These results are fully consistent with the presence of 3D massive Dirac electrons in ${ m Sr_{3}PbO}$. The chemical flexibility of the antiperovskites and our findings in the family member, ${ m Sr_{3}PbO}$, point to their potential as a model system in which to explore exotic topological phases.

연구 동기 및 목표

• 이론적으로 이러한 준입자들을 수반할 것으로 예측된 Sr₃PbO 안티퍼보스카이트에서 3차원 질량이 있는 디рак 전자의 존재를 실험적으로 검증하는 것.
• 이 물질의 저에너지 준입자 성질과 자기장에 대한 반응을 조사하기 위해 Sr₃PbO의 자기전도도 성질을 연구하는 것.
• 이 시스템에서 실험적으로 접근 가능한 자기장 범위 내에서 양자한계에 도달할 수 있는지 확인하는 것.
• 안티퍼보스카이트가 3차원 디рак 페르미온에서 유래하는 이상적인 토폴로지적 위상상태를 탐색하기 위한 조절 가능한 플랫폼으로서의 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• 고자기장에서의 셰브니코프–드 하아스(SdH) 진동 측정을 통해 피어미 표면의 기하학적 구조와 사이클로트론 질량을 추출하는 것.
• 홀 저항도 분석을 통해 실체의 종류, 밀도 및 이동도를 결정하는 것.
• 세로 자기저항도 Δρₓₓ(B) 측정을 통해 자기장 의존성과 온도 불변성을 평가하는 것.
• 랜다우 수준 양자화 모델을 사용하여 진동 주파수에서 피어미 에너지와 랑다우 수준 간격을 추정하는 것.
• 실험 결과를 디랙 페르미온 모델과 고전적 불순물 효과 모델과 비교하는 것.
• 각도 의존성 측정 및 분석을 통해 피어미 표면의 이방성과 그가 전도도에 미치는 영향을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sr₃PbO의 자기전도도 성질은 3차원 질량이 있는 디랙 전자를 뒷받침하는 증거를 제공하는가?
• RQ2 실험적으로 접근 가능한 자기장 범위 내에서 Sr₃PbO에서 양자한계가 달성되는가? 그에 필요한 자기장 강도는 얼마인가?
• RQ3 이 시스템에서 세로 자기저항도가 자기장에 대해 선형이며 온도에 독립적인 이유는 무엇인가?
• RQ4 피어미 표면의 이방성은 SdH 진동과 자기저항도 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 전도도 거동은 고전적 불순물 모델로 충분히 설명될 수 있는가, 아니면 디랙 페르미온의 양자한계 효과와 일치하는가?

주요 결과

• 셰브니코프–드 하아스 진동은 정공 밀도 약 1×10¹⁸ cm⁻³ 와 매우 작은 사이클로트론 질량 0.01–0.06 mₑ 를 보여주며, 이는 3차원 질량이 있는 디랙 페르미온과 일치한다.
• 세로 자기저항도 Δρₓₓ(B) 는 자기장에 대해 선형 의존성을 보이며 온도에 영향을 받지 않으며, 이는 양자한계 행동의 상징적 특징이다.
• 피어미 에너지는 약 ~110–130 meV 으로 추정되며, n=1에서의 랑다우 수준 간격은 약 ~115 meV 이며, 이는 약 5 T 에서 양자한계에 도달함을 시사한다.
• 두 가지 다른 피어미 표면 단면에서의 피어미 에너지 추정치가 일치함으로써, 동일한 이방성 피어미 포켓의 존재를 뒷받침한다.
• ρₓₓ(B) 는 온도에 따라 변하지만 Δρₓₓ(B) 는 온도에 영향을 받지 않기 때문에, 관측된 전도도 거동은 고전적 불순물 모델로는 충분히 설명될 수 없다.
• 시스템은 약 ~10 meV 의 질량 갭을 보이며, 이는 피어미 에너지 및 랑다우 수준 간격에 비해 무시할 만큼 작아 디랙 페르미온 모델의 적용을 정당화한다.