[논문 리뷰] Transport signatures of surface states in a Weyl semimetal: evidence of field driven Fermi arc interferometry

Nityan Nair, Marie-Eve Boulanger외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 19.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 탄탈룸 아르세나이드(TaAs)의 (001) 표면에서 서로 다른 페르미 호를 통과하는 일관된 준입자들의 자기장에 의해 유도된 양자 간섭 현상을 입증한다. 고자기장 쇼비니코프-데 하아스 측정을 통해 저온에서의 전도도 측정을 통해, 표면 상태 간의 간섭과 일치하는 이중 차원의 사이클로트론 궤도를 규명하였으며, 이는 위상적으로 보호된 페르미 호 상태와 그들의 양자역학적 파동함수 위상 일관성에 대한 직접적인 운반 특성 증거를 제공한다.

ABSTRACT

A signature property of Weyl semimetals is the existence of topologically protected surface states - arcs in momentum space that connect Weyl points in the bulk. However, the presence of bulks states makes detection of surface contributions to the transport challenging. Here we present a magnetoresistance study of high-quality samples of the prototypical Weyl semimetal, TaAs. By measuring the Shubnikov de Haas effect, we reveal the presence of a two-dimensional cyclotron orbit. This orbit is quantitatively consistent with the interference of coherent quasiparticles traversing two distinct Fermi arcs on the [001] crystallographic surface. The observation of this effect suggests that high magnetic fields can be used to study not only the transport properties of Fermi arcs, but also the interference of their quantum mechanical wavefunctions.

연구 동기 및 목표

• 보통의 부피 상태에 의해 가려지는 경향이 있는 Weyl 반도체에서 표면 상태의 운반 기여를 탐지하고 특성화하는 것.
• 고자기장 조건에서 Weyl 반도체 내 페르미 호 표면 상태의 양자역학적 위상 일관성을 탐색하는 것.
• 자기저항 응답에서 간섭 효과를 통해 위상적으로 보호된 표면 상태의 운반 서명을 확립하는 것.
• 고자기장이 페르미 호의 운반 및 양자 간섭 특성을 어떻게 활용할 수 있는지 보여주는 것.

제안 방법

• 운반에서의 부피 기여를 최소화하기 위해 고품질의 단결정 TaAs 시료를 사용하였다.
• 저온 및 고자기장 조건에서 쇼비니코프-데 하아스 진동을 측정하여 양자 진동 주파수를 추출하였다.
• 관측된 진동 주파수를 분석하여 표면 상태 페르미 호와 일치하는 이중 차원 사이클로트론 궤도를 규명하였다.
• 두 개의 서로 다른 (001) 표면에 걸쳐 이동하는 준입자들 간의 간섭을 관측된 양자 진동의 기원으로 모델링하였다.
• 이론적 모델링을 통해 측정된 사이클로트론 질량과 효과적 면적이 페르미 호 간섭에 대한 예측과 정량적으로 일치함을 확인하였다.
• 진동 진폭의 자기장 의존성을 통해 위상 일관성과 간섭 조건을 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고자기장에서의 운반 측정을 통해 Weyl 반도체 내 위상적으로 보호된 표면 상태의 존재를 밝힐 수 있는가?
• RQ2 TaAs에서 관측된 이중 차원 양자 진동의 기원은 무엇이며, 부피 기여와 어떻게 다를까?
• RQ3 다른 페르미 호를 통과하는 준입자들 간의 양자 간섭을 자기저항 측정을 통해 감지할 수 있는가?
• RQ4 고자기장 조건에서 표면 상태 파동함수의 위상 일관성은 어느 정도 유지되는가?

주요 결과

• 쇼비니코프-데 하아스 효과에서 이중 차원 사이클로트론 궤도가 관측되었으며, 이는 표면 상태의 페르미 표면 면적과 일치하는 주파수를 보였다.
• 측정된 사이클로트론 질량과 효과적 질량은 (001) 표면에서 두 개의 서로 다른 페르미 호를 통과하는 준입자 간의 간섭과 정량적으로 일치하였다.
• 관측된 양자 진동 주파수와 자기장 의존성은 위상적으로 보호된 페르미 호 상태를 따라 준입자가 위상 일관성 있게 전파되고 있음을 시사한다.
• 간섭 패tern은 고자기장에서도 안정적이며, 표면 상태 파동함수의 장기적 위상 일관성을 나타낸다.
• 결과는 페르미 호 간섭 측정의 직접적인 운반 증거를 제공하며, 이는 Weyl 반도체에서 이전에 관측되지 않은 양자 효과이다.