[논문 리뷰] Titanic magnetoresistance and signature of non-degenerate Dirac nodes in ZrSiS

Ratnadwip Singha, Arnab Pariari외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 05.

Topological Materials and Phenomena인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 2 K 및 9 T에서 ZrSiS 단일 결정에서 매우 큰 비포화 자기저항 (~1.4 × 10⁵%)를 보고하며, 이는 비퇴화 디рак 페르미온에 의해 유도된다. 양자 진동은 다수의 페르미 포켓, 비자명한 π 베리 위상, 그리고 전자와 정공이 공존하는 현상을 보여주며, 준입자들의 디рак 성격을 확인하고 페르미 파장, 페르미 속도, 사이클로트ロン 효과 질량을 정밀하게 추출하는 데 기여한다.

ABSTRACT

We present the results on magnetotransport properties of ZrSiS single crystals. Extremely large, non-saturating and non-linear magneto-resistance ($\sim$ 1.4 $ imes$ 10$^{5}$\%) is observed at 2 K and 9 T magnetic field. Large anisotropy in magnetoresistance, with field applied along different crystallographic axes, have also been observed. The Shubnikov - de Haas oscillation reflects the presence of a small and a large Fermi pocket. Quantum oscillation along with Hall resistance indicate multiple band crossing at different energy levels of electronic band structure and the contribution of both hole and electron type charge carriers, which is in agreement with the earlier theoretical and ARPES reports. Non trivial $\pi$ Berry phase confirms the Dirac fermionic nature of charge carriers. Fermi wave vector, Fermi velocity and cyclotron effective mass of the charge carrier have been calculated from the oscillation data.

연구 동기 및 목표

• ZrSiS 단일 결정의 자기장 전도도 특성을 조사하고 극도의 자기저항의 기원을 규명하는 것.
• 다중 밴드 교차 및 페르미 표면 기하학의 전자 구조 특징을 확인하는 것.
• 양자 진동 측정 및 베리 위상 분 析를 통해 디랙 페르미온 존재를 확인하는 것.
• 진동 데이터에서 페르미 파장, 페르미 속도, 사이클로트론 효과 질량과 같은 핵심 전자적 매개변수를 추출하는 것.

제안 방법

• 고품질 ZrSiS 단일 결정에서 고자기장 및 저온(2 K) 조건 하에서 자기장 전도도 특성 측정.
• 셰브니코프–드 하아스 진동 분석을 통해 페르미 표면 정보 및 실효질량을 추출.
• 홀 저항 측정을 통한 시스템 내 전자와 정공이 동시에 존재하는지 확인.
• 양자 진동 데이터의 피팅을 통해 페르미 파장을 및 페르미 속도를 결정.
• 진동 주기 및 위상 이동을 기반으로 한 베리 위상 평가를 통해 디랙 페르미온 특성의 확인.
• 실험 결과를 이론 예측 및 밴드 구조에 대한 ARPES 데이터와 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저온에서 관측된 거대하고 비포화 자기저항의 원인은 무엇인가?
• RQ2 페르미 표면 기하학과 다중 밴드 교차가 운반 거동에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 ZrSiS에 비퇴화 디랙 노드 존재에 대한 증거는 무엇인가?
• RQ4 전하 운반자(전자 또는 정공)의 성격은 무엇이며, 그 기여는 무엇인가?
• RQ5 추출된 전자적 매개변수(페르미 파장, 속도, 효과 질량)가 이론적 기대와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 2 K 및 9 T에서 약 1.4 × 10⁵%의 비포화 자기저항이 관측되어 자기장에 대한 극도의 민감도를 나타낸다.
• 자기장의 방향이 결정학적 축에 대해 달라짐에 따라 상당히 이방성 자기저항이 관측된다.
• 셰브니코프–드 하아스 진동은 작은 페르미 포켓과 큰 페르미 포켓이 동시에 존재함을 보여주며, 복잡한 페르미 표면 기하학을 시사한다.
• 양자 진동과 홀 저항 측정은 서로 다른 에너지 수준에서의 다중 밴드 교차 및 전자와 정공의 공존을 확인한다.
• 비자명한 π 베리 위상이 추출되어 준입자들의 디랙 페르미온 성격에 대한 직접적 증거를 제공한다.
• 진동 데이터로부터 페르미 파장, 페르미 속도, 사이클로트론 효과 질량이 정량적으로 결정되었으며, 이는 디랙 준금속 거동과 일치한다.