[논문 리뷰] Quantum oscillation of thermal conductivity and violation of Weidemann-Franz law in TaAs$_2$ and NbAs$_2$

Xin Rao, Xian Zhao외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 10.

Theoretical and Computational Physics참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초저온 온도에서 탄탈룸 아르세나이드( TaAs₂ )와 niobium 아르세나이드( NbAs₂ ) 단일 결정에서 Weidemann-Franz 법칙의 강한 위반을 보고한다. 전자적 열전도도는 T⁴ 의 온도 의존성을 보이며, 동시에 저항도는 온도에 독립적이다. 고자기장(최대 14 T)에서 관측된 열전도도의 양자역학적 진동은 비자명한 Berry 위상을 나타내며, 이는 Fermi 액체 이론의 붕괴와 이러한 Type-II Weyl 반도체 후보에서 비-Fermi 액체 물리의 증거를 시사한다.

ABSTRACT

We report a study of thermal conductivity and resistivity at ultra-low temperatures and in high magnetic fields for semi-metal materials TaAs$_2$ and NbAs$_2$ by using single crystal samples. The thermal conductivity is strongly suppressed in magnetic fields, having good correspondence with the large positive magnetoresistance, which indicates a dominant electronic contribution to thermal conductivity. In addition, not only the resistivity but also the thermal conductivity display clear quantum oscillations behavior at subKelvin temperatures and in magnetic fields up to 14 T. The most striking phenomenon is that the thermal conductivity show a $T^4$ behavior at very low temperatures, while the resistivity show a $T$-independent behavior. This indicates a strong violation of the Weidemann-Franz law and points to a non-Feimi liquid state of these materials.

연구 동기 및 목표

• 초저온 및 고자기장 조건에서 TaAs₂ 와 NbAs₂ 의 전자 이동성 특성의 성격을 조사하기 위해.
• 특히 영온도 근처에서 이들 반도체계에서 Weidemann-Franz 법칙의 타당성을 검증하기 위해.
• 양자진동 측정을 통해 열 및 전기적 이동성의 전자 기원을 탐색하기 위해.
• 관측된 이동성 이질현상이 이러한 위상 반도체에서 Fermi 액체 이론의 붕괴를 나타내는지 규명하기 위해.

제안 방법

• TaAs₂ 와 NbAs₂ 의 단일 결정은 화학적 기체 이동법을 통해 성장되었으며, 정밀한 전기적 측정을 위해 결정학적 축에 따라 잘린 상태로 사용되었다.
• 저온에서의 저항도는 표준 사절측정법을 사용하여 측정되어 전하 운반자의 역학을 평가하였다.
• 열전도도는 '한 열원, 두 온도계' 기법을 사용하여 전자 기여를 분리하였다.
• Landau 수준 팬도를 이용하여 열전도도의 양자진동을 분석하고, Shubnikov–de Haas (SdH) 진동과 비교하였다.
• 열전도도와 저항도 진동 사이의 위상 이동을 통해 Weidemann-Franz 법칙의 붕괴를 추론하였다.
• Landau 수준 인덱스 할당에서 유도된 비자명한 Berry 위상은 Fermi 표면 포켓의 위상적 특성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TaAs₂ 와 NbAs₂ 에서 초저온 조건, 특히 T → 0 근처에서 Weidemann-Franz 법칙이 유지되는가?
• RQ2 영자기장 조건에서 전자적 열전도도의 T⁴ 의존성의 기원은 무엇인가?
• RQ3 열전도도의 양자진동은 저항도의 진동과 어떻게 비교되며, 이는 Fermi 표면의 위상 기하학에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ4 열과 전기 진동 사이의 관측된 위상 이동은 비-Fermi 액체 거동을 식별하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 Berry 곡률과 위상적 밴드 구조는 이러한 물질에서 Fermi 액체 이론 붕괴에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• TaAs₂ 와 NbAs₂ 의 전자적 열전도도는 초저온에서 T⁴ 의존성을 보이며, Fermi 액체 이론 예측과의 강한 이탈을 나타낸다.
• 저항도는 매우 낮은 온도에서 온도에 독립적이며, 온도 의존성 산란 메커니즘이 존재하지 않음을 확인한다.
• T⁴ 의 열전도도와 T에 독립적인 저항도의 조합은 Weidemann-Franz 법칙의 명백한 위반을 초래한다.
• 14 T 이하에서 열전도도의 양자진동이 관측되었으며, 세 가지 명확한 진동수를 보였다: Fα = 56 T, Fβ = 36 T, Fδ = 16.8 T.
• 열전도도 진동의 위상은 SdH 진동에 비해 π/2 만큼 이동되어 있으며, Weidemann-Franz 법칙의 붕괴를 확인한다.
• Landau 수준 팬도는 모든 세 개의 Fermi 표면 포켓(α, β, δ)에 대해 비자명한 Berry 위상(φ ≈ π)을 드러내어 위상적 특성을 확인한다.