[논문 리뷰] Role of spin-orbit coupling and evolution of the electronic structure of WTe$_2$ under an external magnetic field

Daniel Rhodes, Suvadip Das외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 06.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 각도 및 온도 의존적인 셰브니코프-디하아스(SdH) 진동을 통해 WTe₂에서 스핀-오비트 결합과 자장에 의해 유도되는 전자 구조의 변화를 조사한다. 네 가지의 구분되는 필라 면 교차 면적을 확인하였으며, 이는 스핀-오비트 분리된 전자성 및 구멍성 펄스에 기인하며, 밀도 함수 이론(DFT)이 실험적 필라 면 기하학을 재현하지 못함을 입증한다. 주요 발견은 필라 면이 자장에 따라 변화하며, 자장에 의존하는 효과 질량과 재정규화된 교차 면적이 존재함을 시사하며, 이는 기하학적으로 동적인 전자 구조가 존재할 수 있음을 시사하며, 이는 물질의 거대하고 포화되지 않는 자기저항성의 기초가 될 수 있다.

ABSTRACT

Here, we present a detailed study on the temperature and angular dependence of the Shubnikov-de-Haas (SdH) effect in the semi-metal WTe$_2$. This compound was recently shown to display a very large non-saturating magnetoresistance which was attributed to nearly perfectly compensated densities of electrons and holes. We observe four fundamental SdH frequencies and attribute them to spin-orbit split, electron- and hole-like, Fermi surface (FS) cross-sectional areas. Their angular dependence seems consistent with ellipsoidal FSs with volumes suggesting a modest excess in the density of electrons with respect to that of the holes. We show that density functional theory (DFT) calculations fail to correctly describe the FSs of WTe$_2$. When their cross-sectional areas are adjusted to reflect the experimental data, the resulting volumes of the electron/hole FSs obtained from the DFT calculations would imply a pronounced imbalance between the densities of electrons and holes. We find evidence for field-dependent Fermi surface cross-sectional areas by fitting the oscillatory component superimposed onto the magnetoresistivity signal to several Lifshitz-Kosevich components. We also observe a pronounced field-induced renormalization of the effective masses. Taken together, our observations suggest that the electronic structure of WTe$_2$ evolves with the magnetic field. This evolution might be a factor contributing to its pronounced magnetoresistivity.

연구 동기 및 목표

• 이론적 예측과 WTe₂의 필라 면 관측 결과 사이의 괴리를 해결하기 위해.
• 고자장 SdH 측정을 통해 WTe₂의 필라 면 면적의 수와 성격을 규명하기 위해.
• 스핀-오비트 결합과 자장이 전자 구조 및 필라 면 기하학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 강한 자장 하에서 WTe₂의 필라 면을 기술하는 데 있어 DFT 계산의 타당성을 평가하기 위해.
• 필라 면 기하학 변화와 관측된 거대하고 포화되지 않는 자기저항성 간의 연관성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 35 T에 이르는 고자장에서 단결정 WTe₂에 대해 각도 및 온도 의존성 자기저항 측정을 수행하여 SdH 진동을 탐색하였다.
• SdH 주파수의 각도 의존성 분석을 통해 필라 면 교차 면적을 추출하고 타원형 펄스 기하학을 추론하였다.
• 자기저항도의 진동 성분을 다중 리프시츠-코세비치 성분에 맞춰서, 자장 의존 효과 질량과 주파수를 추출하였다.
• 실험적 필라 면 데이터를 DFT 계산과 비교하였으며, 스핀-오비트 결합과 필라 수준 위치를 조정하였다.
• 제이만 효과가 스핀 분리된 밴드에 미치는 영향과 그가 필라 면 기하학 및 산란률을 변화시킬 잠재적 역할을 분석하였다.
• 온제이저 관계를 사용하여 SdH 주파수를 필라 면 교차 면적으로 연결하고, 펄스 부피를 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WTe₂에 존재하는 구분되는 필라 면 면적은 몇 개인가, 그리고 그들의 스핀-오비트 분리 특성은 무엇인가?
• RQ2 DFT 계산이 실험적 SdH 데이터와 비교할 때 WTe₂의 필라 면 기하학을 얼마나 정확히 기술하는가?
• RQ3 자장은 WTe₂에서 효과 질량과 필라 면 교차 면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제이만 효과와 스핀-오비트 결합은 전자 구조를 어떻게 변화시키며, 거대 자기저항성에 기여하는가?
• RQ5 WTe₂의 필라 면은 자장 의존적으로 재구성되는가, 만약 그렇다면 쿼라르트리클 산란 및 전도성에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 네 가지의 구분되는 SdH 주파수가 관측되어, 두 개의 스핀-오비트 분리된 전자성 및 두 개의 구멍성 필라 면 펄스가 존재함을 시사한다.
• 필라 면 교차 면적의 각도 의존성은 타원형 펄스에 의해 가장 잘 기술되며, 이는 구멍 농도가 전자 농도보다 약 4% 높음을 암시한다.
• DFT 계산은 실험적 필라 면 기하학을 재현하지 못하며, 특히 구멍 펄스에 대해 그러하다. 만약 교차 면적이 일치한다면 DFT는 뚜렷한 전자-구멍 불균형을 예측할 것이다.
• SdH 신호의 자장 의존적 피팅 결과, 자장이 증가함에 따라 효과 질량이 크게 재정규화됨을 확인하였으며, 이는 동적인 전자 구조 변화를 시사한다.
• 기본 SdH 주파수들이 자장에 따라 변화함을 확인하였으며, 이는 필라 면 기하학이 정적이지 않고 외부 자장에 반응함을 시사한다.
• 제이만 효과는 스핀 분리된 밴드를 필라 수준으로부터 이격시킬 수 있으며, 이는 뒤집힌 산란 채널을 열 수 있고, WTe₂에서 관측된 거대하고 포화되지 않는 자기저항성에 기여할 수 있다.