[논문 리뷰] The large unsaturated magnetoresistance of Weyl semimetals

Yiming Pan, Huaiqiang Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 14.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 탄탈륨 아르세나이드(TaAs), 니오브륨 아르세나이드(NbAs), 니오브륨 폴리하이드라이드(NbP)와 같은 와이울 세미메탈에서 관측된 큰 비포화 자기저항(XMR)을 설명하기 위해 확장된 효과적 매질 이론(EMT)을 제안한다. 편향된 이론 효과를 포함함으로써, 고자기장에서 XMR의 거듭제곱 법칙 의존성과 실험과 일치하는 '작동 필드'(turn-on field)를 예측하며, 전기장과 자기장 간의 작은 각도에서 편향된 이론 기여로 인해 정의성 자기저항에서 부정성 자기저항으로의 전이가 발생함을 드러낸다.

ABSTRACT

The Weyl semimetal (WSM) is a novel topological gapless state with promises exotic transport due to chiral anomaly. Recently, a family of nonmagnetic WSM candidates including TaAs, NbAs, NbP etc is confirmed by first principle calculation and experiments. The TaAs family are reported to display the large unsaturated magnetoresistance (XMR), which have not yet been explained. Here, we give a theoretical calculation of XMR based on the extended effective-medium approach to Weyl semimetals. We predict the power law of XMR at high magnetic field and the "turn-on" magnetic field, which are well in agreement with experiments data. Furthermore, we investigate the $θ$-dependence magnetoresistance and find the transition between the postive XMR and the negative magnetoresistance induced by chiral anomaly, which should be confirmed by further experiments.

연구 동기 및 목표

• 와이울 세미메탈인 TaAs, NbAs, NbP와 같이 실험적으로 관측된 큰 비포화 자기저항(XMR)을 설명하기 위해, 아직 완전한 이론적 설명이 없는 현상을 설명하는 것.
• 자기장에 따라 제곱법에서 거의 선형 XMR 행동으로의 전이를 설명하며, 특히 실험적으로 관측된 '작동 필드'(H*)의 전이를 설명하는 것.
• 효과적 매질 이론(EMT)에 편향된 이론 효과를 통합하여, 와이울 세미메탈의 비정상적 운반자 성질을 기술하는 것.
• 자기저항의 각도 의존성을 예측하며, 자기장이 전기장과 거의 평행할 경우 편향된 이론 기여로 인해 정의성 자기저항에서 부정성 자기저항으로의 전이가 발생하는 것을 설명하는 것.

제안 방법

• 와이울 세미메탈에 대해 확장된 효과적 매질 이론(EMT)을 적용하여, 일반 및 비정상 도전도 기여를 가진 복합 매질로 시스템을 간주한다.
• 총 도전도 텐서는 σαβ(t) = σαβ − εαβηbη + γBαBβ로 모델링되며, 여기서 bη는 비정상 홀 도전도를 나타내고, γ는 편향된 자기효과를 나타낸다.
• 편향된 이론는 자기장에 의존하는 편향 에너지 이동 Δμ ∝ E·B를 통해 통합되며, 이로 인해 jch = γ(E·B)B 형태의 편향 전류가 유도되며, 여기서 γ = e⁴τi/(4π⁴g(εF))이다.
• 자기장 비율이 같지 않은 운반자 시스템(n ≠ p)에 대해 자성적 EMT 방정식을 자성적으로 풀어, 이동도 및 운반자 농도 비율의 현실적인 파arameterization을 가능하게 한다.
• 자기저항의 각도 의존성은 자기장을 평행 성분(Hcosθ)과 수직 성분(Hsinθ)으로 분리하여 모델링하며, 평행 성분은 편향된 이론에 기여하고, 수직 성분은 일반 도전도에 기여한다.
• 차원이 없는 매개변수 δ = μ′/μ = √(γ/σ₀)/μ가 도입되어 편향된 이론 효과의 상대 강도를 정량화하며, 정의성 자기저항에서 부정성 자기저항으로의 전이 분석이 가능해진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TaAs, NbAs, NbP와 같은 와이울 세미메탈에서 관측된 큰 비포화 자기저항의 기원은 무엇인가?
• RQ2 효과적 매질 이론이 고자기장에서 자기저항의 거듭제곱 법칙 스케일링과 '작동 필드'H*를 어떻게 설명하는가?
• RQ3 편향된 이론이 정의성 자기저항에서 부정성 자기저항으로의 전이를 유도하는 역할는 무엇이며, 전기장과 자기장 간의 각도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 운반자 농도 불균형(n > p)과 이동도 차이가 관측된 자기저항 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 확장된 EMT 모델이 실험 자기저항 데이터, 특히 각도 의존성을 정량적으로 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 확장된 EMT는 고자기장에서 자기저항의 거듭제곱 법칙 의존성을 예측하며, 이 지수는 TaAs 및 관련 와이울 세미메탈의 실험 관측과 일치한다.
• 모델은 실험 데이터와 정성적으로 일치하는 '작동 필드'H*를 성공적으로 재현하며, 이는 제곱법에서 거의 선형 자기저항으로의 전이를 나타낸다.
• 운반자 보상 시스템(n = p)의 경우, 모델은 이동도 비율 μn/μp가 감소함에 따라 자기저항의 거듭제곱 법칙이 감소하며, 저자기장 영역에서 제곱법과의 이격이 발생함을 보여준다.
• 이론은 전기장 E와 자기장 B 사이의 작은 각도에서 편향된 이론 기여로 인해 정의성 자기저항에서 부정성 자기저항으로의 전이를 예측하며, 이 전이 필드는 매개변수 δ = μ′/μ에 따라 달라진다.
• 편향된 이론에 의해 유도된 부정성 자기저항은 작다(δ ≪ 1)는 점에서, 우세한 정의성 XMR 배경으로 인해 실험적으로 감지하기 어려운 것으로 예측된다.
• 등고선도는 정의성 자기저항에서 부정성 자기저항으로의 전이가 임계 각도와 자기장 강도에 따라 달라지며, 편향된 이론 강도가 증가함에 따라 전이가 낮은 자기장으로 이동함을 보여준다.