[논문 리뷰] Sign reversal of magnetoresistivity in massive nodal-line semimetals due to Lifshitz transition of Fermi surface

Min-Xue Yang, Hao Geng외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 04.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 76인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스핀 오비탈 결합을 가진 거대한 노드 라인 반도체에서 외부 자장이 궤도 자기모멘트와의 결합을 통해 토러스형 피에르 표면의 리프시츠 전이를 유도하며, 이로 인해 자화저항도(MR)의 부호가 양성에서 음성으로 전환됨을 제안한다. 핵심 발견은 외부 자장에 의해 유도된 피에르 표면 위상이 MR의 부호를 직접 제어하며, 순수한 베리 기울기 효과와는 다를 새로운 메커니즘을 설정한다는 것이다.

ABSTRACT

Topological nodal-line semimetals offer an interesting research platform to explore novel phenomena associated with its torus-shaped Fermi surface. Here, we study magnetotransport in the massive nodal-line semimetal with spin-orbit coupling and finite Berry curvature distribution which exists in many candidates. The magnetic field leads to a deformation of the Fermi torus through its coupling to the orbital magnetic moment, which turns out to be the main scenario of the magnetoresistivity (MR) induced by the Berry curvature effect. We show that a small deformation of the Fermi surface yields a positive MR $\propto B^2$, different from the negative MR by pure Berry curvature effect in other topological systems. As the magnetic field increases to a critical value, a topological Lifshitz transition of the Fermi surface can be induced, and the MR inverts its sign at the same time. The temperature dependence of the MR is investigated, which shows a totally different behavior before and after the Lifshitz transition. Our work uncovers a novel scenario of the MR induced solely by the deformation of the Fermi surface and establishes a relation between the Fermi surface topology and the sign of the MR.

연구 동기 및 목표

• 외부 자장에 의해 유도된 피에르 표면의 변형이 거대한 노드 라인 반도체에서 자화운반에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 궤도 자기모멘트(OMM)가 피에르 표면 위상 구조를 어떻게 수정하고 자화저항도(MR)에 영향을 주는지 명확히 하기 위해.
• 비정상적인 피에르 표면 기하학에서 위상적 리프시츠 전이와 베리 기울기 효과 간의 상호작용을 탐구하기 위해.
• 위상적 반도체에서 피에르 표면 위상과 MR의 부호 사이의 직접적 연관성을 확립하기 위해.
• 자외선 자장 하에서 노드 라인 시스템에서 새로운 운반 서명을 식별하기 위한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 거대한 노드 라인 반도체에서 전자 운반을 모델링하기 위해 산란 한계에서의 반구상 보틀츠만 운반 형식을 사용하였다.
• 외부 자장 B와 결합하는 궤도 자기모멘트(OMM)를 통해 비균일한 베리 기울기 분포의 영향을 통합하였다.
• 증가하는 B장 하에서 토러스형 피에르 표면의 진화를 추적하여 위상적 리프시츠 전이에 대한 임계 자기장 강도를 식별하였다.
• OMM에 의해 유도된 피에르 표면 변형과 순수한 베리 기울기 효과의 기여를 구분하여 자기장에 대한 자화저항도(MR)를 계산하였다.
• 리프시츠 전이 이전과 이후의 행동을 대비하기 위해 MR의 온도 의존성을 분석하였다.
• 스핀 오비탈 결합을 가진 최소 모델을 사용하여 운동량 공간에서 유한한 베리 기울기를 생성함으로써 OMM 형성을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거대한 노드 라인 반도체에서 전자의 궤도 자기모멘트(OMM)가 외부 자장 하에서 피에르 표면을 어떻게 수정하는가?
• RQ2 피에르 표면 변형이 이러한 시스템에서 자화저항도(MR)의 부호를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 자장이 노드 라인 반도체의 피에르 표면에서 위상적 리프시츠 전이를 유도할 수 있는가? 그리고 그 운반 서명은 무엇인가?
• RQ4 리프시츠 전이 이전과 이후의 MR 온도 의존성은 어떻게 다를까?
• RQ5 이 시스템에서 MR의 부호 전환이 순수한 베리 기울기 효과가 아닌 OMM에 의해 유도된 피에르 표면 변형 때문인가?

주요 결과

• 작은 자장이 궤도 자기모멘트(OMM)와의 결합을 통해 토러스형 피에르 표면을 약간 변형시켜, MR ∝ B²의 양성 MR를 초래한다.
• 임계 자기장에서 위상적 리프시츠 전이가 발생하여 피에르 표면이 종수 1에서 종수 0로 변형되며, 이에 따라 MR의 부호가 전환된다.
• MR의 부호 전환은 채널 이완 또는 기타 베리 기울기 효과가 아닌, 피에르 표면 기하학의 위상적 변화와 직접적으로 연관되어 있다.
• 온도 의존성 분석에서 MR는 전이 이전에는 2차 B² 의존성을 보이며, 전이 이후에는 다른 자기장 스케일링을 보인다.
• OMM에 의해 유도된 피에르 표면 변형은 MR에 대한 주요 메커니즘으로 확인되었으며, 다른 위상적 시스템에서의 순수한 베리 기울기 효과로 인한 음성 MR와 대비된다.
• 이 연구는 외부 자장을 통한 피에르 표면 위상 공학을 통해 노드 라인 반도체에서 MR 제어의 새로운 메커니즘을 확립한다.