[논문 리뷰] Shubnikov-de Haas Oscillations and Nontrivial Topological State in a New Weyl Semimetal Candidate SmAlSi

Longmeng Xu, Haoyu Niu외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 26.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 46인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 양자 자기장 전도도 측정과 밀도함수 이론 계산을 통해 SmAlSi를 새로운 와일 세미메탈 후보로 규명하였다. 2 K, 48 T에서 약 5200%에 이르는 크고 포화되지 않은 자기저항, 비트리비얼 π 베리 위상이 있는 쇼비니코프-드 하아스 진동, 전자-정공 보정과 높은 이동도를 보이는 필라 수퍼포지션을 통해 비트리비얼 위상적 상태에서 와일 페르미온 유사 거동을 확인하였다.

ABSTRACT

We perform the quantum magnetotransport measurements and first-principles calculations on high quality single crystals of SmAlSi, a new topological Weyl semimetal candidate. At low temperatures, SmAlSi exhibits large non-saturated magnetoresistance (MR)~5200% (at 2 K, 48 T) and prominent Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations, where MRs follow the power-law field dependence with exponent 1.52 at low fields (μ0H < 15 T) and linear behavior 1 under high fields (μ0H > 18 T). The analysis of angle dependent SdH oscillations reveal two fundamental frequencies originated from the Fermi surface (FS) pockets with non-trivial π Berry phases, small cyclotron mass and electron-hole compensation with high mobility at 2 K. In combination with the calculated nontrivial electronic band structure, SmAlSi is proposed to be a paradigm for understanding the Weyl fermions in the topological materials.

연구 동기 및 목표

• SmAlSi의 전자적 및 위상적 성질을 조사하기 위해.
• 양자 진동 측정과 밴드 구조 계산을 통해 SmAlSi가 와일 페르미온을 수반하는지 확인하기 위해.
• 각도 의존적 쇼비니코프-드 하아스 진동을 이용하여 필라 표면 위상과 실체 운동을 특성화하기 위해.
• 관측된 양자 진동과 물질 내 비트리비얼 위상적 불변량 사이의 관계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 저온(2 K) 및 고자기장(최대 48 T)에서 고순도 단일결정 SmAlSi에 대해 양자 자기장 전도도 측정을 수행하였다.
• 각도 의존적 쇼비니코프-드 하아스 진동 분석을 통해 필라 표면 포켓 주파수 및 베리 위상 정보를 추출하였다.
• 밀도함수 이론 전자 구조 계산을 통해 밴드 분산을 계산하고 유형-II 와일 점의 존재를 확인하였다.
• 자기저항의 비율 법칙 및 선형 자기장 의존성을 분석하여 산란 메커니즘과 실체 보정을 추론하였다.
• SdH 진동 진폭과 주파수에서 사이클로트론 효과 질량과 실체 이동도를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SmAlSi는 비트리비얼 위상적 위상이 있는 필라 표면을 나타내는 양자 진동을 나타내는가?
• RQ2 SmAlSi의 필라 표면 포켓은 어떤 성질을 가지며, 비트리비얼 베리 위상을 지니는가?
• RQ3 SmAlSi의 자기저항 자기장 의존성은 실체 보정과 산란 메커니즘을 어떻게 반영하는가?
• RQ4 밀도함수 이론 계산은 SmAlSi에 와일 페르미온 존재를 어느 정도 지지하는가?
• RQ5 관측된 필라 표면 포켓에서 실체 운반자의 효과 질량과 이동도는 무엇인가?

주요 결과

• SmAlSi는 2 K 및 48 T에서 약 5200%에 이르는 크고 포화되지 않은 자기저항을 나타내어 강한 양자 전도도 효과를 시사한다.
• 각도 의존적 쇼비니코프-드 하아스 진동은 비트리비얼 π 베리 위상을 지닌 두 개의 별개 필라 표면 포켓을 드러내어 위상적 성질을 시사한다.
• 관측된 필라 표면 포켓은 전자-정공 보정과 2 K에서의 높은 실체 이동도를 보이며 고순도 단일결정의 일관성과 부합한다.
• 자기저항은 저자기장 영역(μ₀H < 15 T)에서 지수 1.52의 비율 법칙 의존성을 보이며 고자기장 영역(μ₀H > 18 T)에서는 선형 행동으로 전이된다.
• 밀도함수 이론 계산은 비트리비얼 전자 밴드 구조와 유형-II 와일 점의 존재를 확인하여 SmAlSi의 위상적 성질을 지지한다.
• 사이클로트론 효과 질량은 작게 확인되어 높은 이동도와 일관된 코herent 준입자 행동을 시사한다.