[논문 리뷰] Topological phase transition induced extreme magnetoresistance in TaSb$_{2}$

Zheng Wang, Yupeng Li외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 05.

Topological Materials and Phenomena인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 1.5 K 및 15 T에서 단일 결정 TaSb₂에서 172만 퍼센트에 이르는 극한의 자기저항(XMR)을 보고하며, 이는 0.1% 미만의 불일치로 인해 거의 완벽한 전자-정공 보상에 의해 유도된다. XMR는 자기장에 대한 제곱근 의존성(MR ∝ B¹.⁹⁶)을 보이며, 이는 주요 정공 피어미 표면에서 얕은 어깨 포켓이 사라지면서 유도된 위상 전이에 기인한다. 이는 양자 진동과 DFT 계산을 통해 확인되었으며, 20 K와 60 K에서 두 개의 리프시츠 전이가 발생한다.

ABSTRACT

We report extremely large positive magnetoresistance of 1.72 million percent in single crystal TaSb$_{2}$ at moderate conditions of 1.5 K and 15 T. The quadratic growth of magnetoresistance (MR $\propto\,B^{1.96}$) is not saturating up to 15 T, a manifestation of nearly perfect compensation with $<0.1\%$ mismatch between electron and hole pockets in this semimetal. The compensation mechanism is confirmed by temperature-dependent MR, Hall and thermoelectric coefficients of Nernst and Seebeck, revealing two pronounced Fermi surface reconstruction processes without spontaneous symmetry breaking, extit{i.e.} Lifshitz transitions, at around 20 K and 60 K, respectively. Using quantum oscillations of magnetoresistance and magnetic susceptibility, supported by density-functional theory calculations, we determined that the main hole Fermi surface of TaSb$_{2}$ forms a unique shoulder structure along the $F-L$ line. The flat band top of this shoulder pocket is just a few meV above the Fermi level, leading to the observed topological phase transition at 20 K when the shoulder pocket disappears. Further increase in temperature pushes the Fermi level to the band top of the main hole pocket, induced the second Lifshitz transition at 60 K when hole pocket vanishes completely.

연구 동기 및 목표

• TaSb₂에서 극한의 자기저항(XMR)의 기원을 규명하기 위해, 이는 비정상적인 전자 구조를 가진 위상학적 반도체이다.
• 전자-정공 보상과 피어미 표면 위상이 비포화 XMR를 유지하는 데 미치는 역할을 규명하기 위해.
• 20 K와 60 K에서 관측된 위상 전이의 물리적 메커니즘을 특정하기 위해.
• 특히 F-L 방향에 있는 고유한 어깨 포켓을 포함한 피어미 표면 기하학이 XMR 거동과 리프시츠 전이에 어떻게 연관되는지 연결하기 위해.

제안 방법

• 단일 결정 TaSb₂는 이소인을 운반제로 사용한 이단계 증기 이동 방법을 통해 합성되었다.
• 1.5 K까지의 온도에서 전도도 측정, 자기저항(MR), 홀 효과, 너른스트 및 시베크 계수를 측정하여 실리콘 보상과 피어미 표면 위상을 조사하였다.
• 양자 진동을 분석하기 위해 SdH 효과를 이용하여 자기저항과 자화율에서의 양자 진동을 분석하여 별개의 포켓을 식별하였다.
• 전자 밴드 구조를 모델링하고, 스핀-오비트 결합(SOC)을 포함하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하여 어깨 포켓의 형성과 위상 불변량을 설명하였다.
• 양자 진동 데이터의 빠른 푸리에 변환(FFT)을 적용하여 전자 및 정공 포켓의 주파수와 효율 질량을 추출하였다.
• 온도 의존 측정을 통해 20 K와 60 K에서 리프시츠 전이를 확인하였으며, 각각 어깨 포켓과 주요 정공 포켓의 소멸에 해당한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TaSb₂에서 극한의 비포화 자기저항은 무엇에 의해 발생하며, 왜 이는 15 T까지 제곱근 의존성으로 나타나는가?
• RQ2 특히 얕은 어깨 포켓의 존재가 관측된 위상 전이에 미치는 피어미 표면 위상의 영향은 무엇인가?
• RQ3 전자-정공 보상이 XMR를 유지하는 데 어떤 역할을 하는가? TaSb₂에서 이 보상의 정밀도는 얼마나 높은가?
• RQ4 20 K 이상에서 전자-정공 보상이 계속 유지됨에도 불구하고 자기저항이 급격히 악화되는 이유는 무엇인가?
• RQ5 스핀-오비트 결합과 밴드 역전은 TaSb₂에서 고유한 피어미 표면 구조를 형성하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• TaSb₂는 1.5 K 및 15 T에서 172만 퍼센트에 이르는 극한의 양성 자기저항을 나타내며, MR는 B¹.⁹⁶에 비례하여 스케일링되며, 거의 완벽한 전자-정공 보상이 있음을 시사한다.
• 전자-정공 보상은 매우 정밀하여 전자 및 정공 밀도 간의 불일치가 0.1% 미만이며, WTe₂의 4% 불일치보다 훨씬 낮다.
• 20 K와 60 K에서 두 개의 리프시츠 전이가 발생하며, 각각 어깨 포켓과 주요 정공 포켓의 소멸에 해당하며, 온도 의존성 양자 진동을 통해 확인되었다.
• DFT 계산은 F-L 방향의 주요 정공 피어미 표면에 고유한 어깨 포켓이 존재함을 밝혀내었으며, 이는 0.45 eV에서 스핀-오비트 결합에 의해 유도된 밴드 갭 열림으로 인해 형성되며, Z₂ 불변량 [0;(111)]을 가지며 위상학적 반도체 거동을 나타낸다.
• 어깨 포켓은 1.5 K에서 피어미 수준에서 약 9 meV 높은 곳에 위치해 있어, 위상학적 중요성과 20 K에서의 첫 번째 리프시츠 전이를 설명한다.
• 특히 F₁ 점 근처의 이중 사면체 구조와 얕은 어깨 포켓의 존재를 포함한 피어미 표면 위상 기하학은 단순한 보상 이외의 요소로서 XMR 거동에 핵심적인 역할을 한다고 규명되었다.