[논문 리뷰] Pi Berry phase and Zeeman splitting of TaP probed by high field magnetotransport measurements

Jin Hu, J. Y. Liu외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 29.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 56인용 수 63

한 줄 요약

이 연구는 31 T에 이르는 고자기장에서의 고자기장 전도도 측정을 통해 TaP 단일 결정의 위상적 전자 구조를 조사한다. 다수의 피에르 표면에서 비자명한 π Berry 위상과 고자기장에서의 Zeeman 분할을 관측함으로써 Weyl Fermion 행동이 확인되었으며, Landé g 인자 추출이 가능해졌으며, Shubnikov-de Haas 진동의 일반화된 Lifshitz-Kosevich 분석이 핵심 증거가 되었다.

ABSTRACT

The chiral anomaly-induced negative magnetoresistance and non-trivial Berry phase are two fundamental transport properties associated with the topological properties of Weyl fermions. In this work, we report the quantum transport of TaP single crystals in magnetic field up to 31T. Through the analyses of our magnetotransport data, we show TaP has the signatures of a Weyl state, including light effective quasiparticle masses, ultrahigh carrier mobility, as well as negative longitudinal magnetoresistance. Furthermore, we have generalized the Lifshitz-Kosevich formula for Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations with multi-frequencies, and determined the non-trivial Berry phase of Pi for multiple Fermi pockets in TaP through the direct fitting of the quantum oscillations. In high fields, we also probed signatures of Zeeman splitting, from which the Landé g-factor is extracted.

연구 동기 및 목표

• 극한의 자기장 조건에서 TaP 단일 결정의 위상적 전자 구조를 조사하기 위해.
• TaP의 다수의 피에르 표면에서 비자명한 Berry 위상 존재 여부를 규명하기 위해.
• 고자기장에서의 Zeeman 분할 효과를 조사하여 Landé g 인자를 추출하기 위해.
• 음성 자기저항 및 초고이동도와 같은 양자 전도도 서명을 통해 TaP의 Weyl 반도체 성질을 검증하기 위해.

제안 방법

• 31 T에 이르는 고자기장에서 TaP 단일 결정에 대한 고자기장 전도도 측정을 수행하여 양자 진동과 자기저항을 조사하였다.
• 다중주파수 Shubnikov-de Haas 진동을 분석하기 위해 일반화된 Lifshitz-Kosevich 공식을 적용하였다.
• 양자 진동 위상의 직접 피팅을 통해 다수의 피에르 표면에 대해 π의 Berry 위상을 추출하였다.
• 고자기장 진동 데이터에서 Zeeman 분할을 확인하여 Landé g 인자를 결정하였다.
• 양자 진동 주파수와 진폭에서 효율적 준입자 질량과 실입자 이동도를 추출하였다.
• 음성 종방향 자기저항을 측정하고 캐리얼 애너omal리 효과와 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TaP는 고자기장 조건에서 피에르 표면에서 비자명한 π Berry 위상을 나타내는가?
• RQ2 고자기장 양자 진동에서의 Zeeman 분할을 통해 유도된 TaP의 Landé g 인자는 얼마인가?
• RQ3 관측된 양자 진동이 TaP의 Weyl Fermion 성질을 어느 정도 확인하는가?
• RQ4 TaP의 효율적 준입자 질량과 실입자 이동도는 Weyl 반도체에서 예상되는 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 일반화된 Lifshitz-Kosevich 형식은 TaP에서의 다중주파수 Shubnikov-de Haas 진동을 정확히 기술할 수 있는가?

주요 결과

• Shubnikov-de Haas 진동의 위상 피팅을 통해 TaP의 다수의 피에르 표면에서 비자명한 π Berry 위상이 직접 확인되었다.
• 고자기장에서의 Zeeman 분할을 통해 TaP의 Landé g 인자가 추출되었으며, 강한 스핀-오비탈 결합을 시사한다.
• 초고이동도와 가벼운 효율적 준입자 질량이 관측되어 Weyl Fermion 행동과 일치한다.
• 음성 종방향 자기저항이 측정되어 TaP에서 캐리얼 애너omal리 효과의 증거가 되었다.
• 일반화된 Lifshitz-Kosevich 공식은 다중주파수 양자 진동을 성공적으로 기술하였으며, 정밀한 위상 및 진폭 분석이 가능했다.
• 양자 진동 위상, Zeeman 분할, 음성 자기저항의 조합은 TaP가 Weyl 반도체임을 강력히 뒷받침한다.