[논문 리뷰] Observation of Negative Magnetoresistance and nontrivial $π$ Berrys phase in 3D Weyl semi-metal NbAs

Xiaojun Yang, Yupeng Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 07.

Topological Materials and Phenomena인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 NbAs에서 3D 와일 보손 준금속 상태를 직접적으로 입증하는 데에 있어 부피 전송 측정을 통해 이루어졌으며, 카이랄 이상성에 기인한 음성 자기저항과 쇼비니코프-데 하아스 진동을 통한 비자명한 π 베리 위상이 입증되었다. −20%의 음성 자기저항과 π 베리 위상(β = 1/2)의 관측은 NbAs 내 와일 페르미온과 위상적 전자 구조의 존재를 확인하였으며, 이는 이론 예측과 ARPES 결과를 뒷받침한다.

ABSTRACT

We report the electric transport properties of NbAs, which is a Weyl semimetal candidate proposed by recent theoretical calculations and confirmed by recent angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) data. We detected the long-anticipated negative magneto-resistance generated by the chiral anomaly in NbAs. Clear Shubnikov de Haas (SdH) oscillations have been detected starting from very weak magnetic field. Analysis of the SdH peaks gives the Berry phase accumulated along the cyclotron orbits to be $π$, indicating the existence of Weyl points.

연구 동기 및 목표

• 부피 전송 측정을 통해 NbAs 내 와일 페르미온 존재를 실험적으로 검증하기.
• 와일 점의 특징으로서 카이랄 이상성에 기인한 음성 자기저항을 탐지하여 신호로 삼기.
• 쇼비니코프-데 하아스 진동을 통해 베리 위상을 측정하여 비자명한 위상적 특성을 확인하기.
• NbAs를 고이동도 3D 와일 준금속으로 확립하여 장치 응용 가능성을 제시하기.
• 이론 예측과 ARPES 데이터를 부피 양자 전송 서명과 통합하기.

제안 방법

• 단일 결정 NbAs는 증기 이동법을 통해 성장되었으며, 고순도와 스토이키오메트리의 확인을 위해 XRD, EDS 및 X선 로킹 커브 분석을 수행하였다.
• 6단자 방법을 사용하여 자기장 방향과 온도의 함수로 종방향 저항과 횡방향 홀 저항을 측정하였다.
• 자기장 방향을 수직(θ = 90°)에서 평행(θ = 0°)으로 바꾸며 자기저항을 측정하였다.
• 저온(1.5–15 K)에서 얻은 저항 데이터로부터 쇼비니코프-데 하아스 진동을 추출하고 리프시츠-온사거 양자화 규칙에 맞춰 피팅하였다.
• 베리 위상은 Onsager 관계 F = (Φ₀/2π²)/A_F를 사용하여 계산하였으며, Φ₀ = h/e로 정의된다.
• 베리 위상 β는 1/B 대 랑주에 수준 인덱스 n의 그래프에서 절편을 통해 결정되었으며, β = 1/2는 비자명한 π 위상을 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NbAs는 카이랄 이상성에 기인한 음성 자기저항을 나타내는가? 이는 와일 페르미온 존재를 확인하는가?
• RQ2 NbAs에서 원운동 궤도를 도는 전자가 축적하는 베리 위상은 얼마이며, 이는 비자명한 위상적 성질을 나타내는가?
• RQ3 이론 예측에 따르면 3D 디랙/와일 페르미온 시스템인 NbAs의 피에르피면은 일치하는가?
• RQ4 NbAs의 전자 이동도 및 저온에서의 양자 전송 거동은 어떠한가?
• RQ5 NbAs의 자기저항은 일반 금속과 다른 와일 준금속에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 자기장이 전류 방향과 평행으로 정렬되었을 때 최대 −20%의 음성 자기저항이 관측되어, NbAs 내 카이랄 이상성에 대한 직접적인 증거가 되었다.
• 쇼비니코프-데 하아스 진동 분석을 통해 비자명한 π 베리 위상(β = 1/2)이 추출되었으며, 위상 이격 절편이 0.119로 나타나 위상적 와일 페르미온을 나타내었다.
• 진동 주파수 25 T로부터 피에르피면 단면적은 2.38 × 10⁻³ Å⁻²로 결정되었다.
• NbAs는 1.5 K에서 초고이동도 2.45 × 10⁵ cm²/Vs를 나타내어 고순도 전자 상태를 나타내었다.
• 실온에서 조그만 자기장에서도 최대 10,000%의 큰 선형 자기저항이 관측되었다.
• 위상 이격 δ = 0.119는 3D 주름진 피에르피면과 일치하며, 시스템의 3D 디랙/와일 성질을 뒷받침한다.