[논문 리뷰] Robust linear magnetoresistance in WTe2

Xingchen Pan, Yiming Pan외 16명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 29.

2D Materials and Applications참고 문헌 10인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 고순도 WTe2 결정에서 60 테슬라까지 및 고압(6.2 GPa) 조건에서도 지속되는 강력한 선형 자기저항(Linear Magnetoresistance, LMR)을 보고한다. 이는 페르미 수준 근처에서 준선형 에너지 분포에 기인한다. 저자기장에서 이동도 스펙트럼 분석을 통해 LMR가 발생하며, 고자기장에서는 포물선형 자기저항보다 지배적이므로, WTe2에서 비포화 자기저항의 근본적인 하한이 있음을 시사한다. 이는 자장, 실체 빈도 불균형, 이동도 억제에 대해 강건하다.

ABSTRACT

Unsaturated magnetoresistance (MR) has been reported in WTe2, and remains irrepressible up to very high field. Intense optimization of the crystalline quality causes a squarely-increasing MR, as interpreted by perfect compensation of opposite carriers. Herein we report our observation of linear MR (LMR) in WTe2 crystals, the onset of which is first identified by constructing the mobility spectra of the MR at low fields. The LMR further intensifies and predominates at fields higher than 20 Tesla while the parabolic MR gradually decays. The LMR remains unsaturated up to a high field of 60 Tesla and persists, even at a high pressure of 6.2 GPa. Assisted by density functional theory calculations and detailed mobility spectra, we find the LMR to be robust against the applications of high field, broken carrier balance, and mobility suppression. Angle-resolved photoemission spectroscopy reveals a unique quasilinear energy dispersion near the Fermi level. Our results suggest that the robust LMR is the low bound of the unsaturated MR in WTe2.

연구 동기 및 목표

• 고자기장에서도 지속되는 비포화 자기저항의 기원을 규명하는 것.
• 극한 조건에서 WTe2에서 선형 자기저항(LMR)이 근본적인 전송 응답으로 나타나는지 확인하는 것.
• 고자기장, 압력, 실체 빈도 불균형에 대해 LMR의 강건성을 조사하는 것.
• 역도각 분광법(ARPES)을 사용하여 관측된 LMR를 전자 밴드 구조와 연결하는 것.
• 저자기장에서 LMR의 시작을 식별하는 데에 이동도 스펙트럼 분석의 역할을 규명하는 것.

제안 방법

• 저자기장에서 선형 자기저항의 시작을 식별하기 위해 자기전도 측정에서 이동도 스펙트럼을 구성하였다.
• 자기저항의 포화 거동를 평가하기 위해 최대 60 테슬라까지 고자기장 자기전도 측정을 수행하였다.
• 구조적 및 전자적 교란 조건에서 LMR의 강건성을 시험하기 위해 6.2 GPa까지 수압을 가하였다.
• 전자 밴드 구조를 모델링하고 페르미 수준 근처에서 준선형 분포가 존재하는지 확인하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 에너지 분포를 직접 관측하고 이론 예측을 검증하기 위해 역도각 분광법(ARPES)을 수행하였다.
• 다양한 도핑 조건과 자기장 조건에서의 전도 응답을 비교하여 실체 빈도 불균형과 LMR 간의 상호작용을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고자기장에서 WTe2에서 지속적인 선형 자기저항은 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ2 선형 자기저항은 고자기장 및 압력과 같은 극한 조건에서 어떻게 반응하는가?
• RQ3 선형 자기저항은 준선형 분포와 같은 특정 전자 밴드 구조적 특성과 관련이 있는가?
• RQ4 이동도 스펙트럼 분석은 WTe2에서 선형 자기저항의 시작을 신뢰성 있게 식별할 수 있는가?
• RQ5 실체 빈도 불균형은 선형 자기저항의 안정성과 포물선형 자기저항 대비 지배성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 선형 자기저항은 저자기장에서 발생하며, 20 테슬라 이상에서 포물선형 자기저항이 점차 감소하는 동안 주요 기여가 된다.
• 선형 자기저항은 60 테슬라까지 포화되지 않아 강건한 비포화 응답임을 시사한다.
• 6.2 GPa의 수압 조건에서도 LMR가 유지되어 전자적 및 구조적 교란에 대한 내성임을 입증한다.
• 역도각 분광법(ARPES)을 통해 페르미 수준 근처에서 준선형 에너지 분포가 관측되어 LMR의 기원을 지지한다.
• 이동도 스펙트럼 분석을 통해 LMR의 시작은 반대 극성 실체의 완벽하거나 거의 완벽한 보상과 관련이 있음을 확인한다.
• 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 페르미 표면 근처에서 선형 밴드 구조가 존재함을 확인하였으며, 관측된 전도 거동과 일치한다.