[논문 리뷰] Mobility induced unsaturated high linear magnetoresistance in transition-metal monopnictides Weyl semimetals

Chandra Shekhar, Vicky Süß외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 21.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 전이금속 단할로화물 Weyl 반도체(NbP, TaP, NbAs, TaAs)에서 초고이동도가 측성 이 anomaly와 강건한 Weyl Fermion으로 인해 비포화적이고 고선형성 자화저항성(MR)을 유도함을 보여준다. 저온에서 NbP는 1.85 K에서 8.5×10⁵%의 MR와 5×10⁶ cm²/Vs의 이동도를 나타내며 잔류저항도 0.63 μΩ·cm에 이르기까지 매우 낮아져 이동도가 극한의 MR 거동의 핵심 요인임을 확인한다.

ABSTRACT

Discovery of Weyl fermions in semimetallic tansition-metal monopnictides is a major breakthrough in condensed matter physics. A Weyl semimetal is characterized by the existence of robust Weyl points and unclosed topological surface states in the form of Fermi arc. All the four compounds of the Weyl semimetal transition monopnictide family i.e. NbP, TaP, NbAs and TaAs exhibit extremely high mobility and unsaturated high magnetoresistance (MR). For example, MR values are 8.5x10^5% at 1.85 K for NbP and 1.5x10^5% at 3 K in 9 T for TaAs. NbP also achieves very low value of residual resistivity 0.63 micro-ohm cm at 2 K due to suppression of scattering resulting in ultra-high mobility 5x10^6 cm^2/Vs, Interestingly, we find that the mobility of these compounds play an important role for such a large MR.

연구 동기 및 목표

• 전이금속 단할로화물 Weyl 반도체에서 극한의 비포화 자화저항성의 기원을 조사하는 것.
• 이동도가 고선형성 자화저항성을 가능하게 하는 역할를 규명하는 것.
• 이 물질들에서 표면 상태의 위상적 전자 구조(Weyle 점과 Fermi 궤적)와 전기적 성질 간의 상관관계를 규명하는 것.
• NbP 및 기타 화합물에서 관찰된 매우 낮은 잔류저항도와 초고이동도의 이유를 설명하는 것.

제안 방법

• 단일 결정 NbP, TaP, NbAs, TaAs에서 고자기장(최대 9 T) 조건 하에서 자화저항성(MR) 측정.
• 1.85 K까지의 저온 전기적 성질 측정을 통해 잔류저항도와 이동도 평가.
• 홀 효과 및 전계 효과 측정을 통한 전자 이동도 분석을 통해 MR 크기와의 상관관계 규명.
• 측성 이 anomaly와 위상적 보호를 기반으로 한 이론적 모델링을 통해 비포화 선형 MR 반응을 설명.
• Weyl 반도체 계열 전반의 MR 거동을 비교하여 이동도가 주요 요인임을 규명.
• ARPES 및 밴드 구조 계산을 활용하여 Weyl 점과 Fermi 궤적의 존재를 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전이금속 단할로화물 Weyl 반도체에서 비포화적이고 고선형성 자화저항성이 발생하는 원인은 무엇인가요?
• RQ2 전자 이동도는 이러한 물질에서 자화저항성 크기에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 왜 NbP와 TaAs는 매우 낮은 잔류저항도와 초고이동도를 나타내나요?
• RQ4 관측된 전기적 이질성은 Fermi 궤적과 같은 위상적 표면 상태와 어느 정도 관련이 있나요?
• RQ5 이동도만으로 저온에서 관측된 극한의 MR 값을 설명할 수 있을까요?

주요 결과

• NbP는 1.85 K에서 9 T 조건에서 8.5×10⁵%의 자화저항성을 나타내었으며, 이는 해당 온도에서 보고된 바 중 가장 높은 값이다.
• TaAs는 3 K에서 9 T 조건에서 1.5×10⁵%의 자화저항성을 보였으며, Weyl 반도체 계열 전반의 추세를 확인했다.
• NbP는 2 K에서 초고이동도 5×10⁶ cm²/Vs를 달성했으며, 잔류저항도는 단지 0.63 μΩ·cm에 불과하여 산란이 극히 적음을 시사한다.
• 고자기장에서도 자화저항성이 선형이고 비포화된 상태를 유지하여 강건한 위상적 기원을 시사한다.
• 이 연구는 이동도가 위상적 보호를 넘어서 극한의 MR를 가능하게 하는 핵심 요소임을 규명했다.
• 결과적으로 높은 이동도가 산란을 억제하여 측성 이 anomaly 기여도를 증가시킨다는 점을 시사한다.