[논문 리뷰] Ultrahigh mobility and giant magnetoresistance in Cd$_3$As$_2$: protection from backscattering in a Dirac semimetal

Tian Liang, Quinn Gibson외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 30.

Graphene research and applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 0외부 자기장에서의 백산산란을 억제하는 위상적 보호 메커니즘에 의해 Cd₃As₂에서 초고이동도 (>10⁷ cm²/Vs)와 거대한 선형 자기저항을 보고한다. 이 보호는 디рак 준금속의 밴드 구조에 기인하며, 이로 인해 운반체 수명이 양자 수명보다 10⁴배 이상 길어지며, 자기장에 의해 이 수명이 해소되어 일반적인 척도 법칙인 코일러의 법칙을 위반하는 이국적인 H-선형 자기저항이 발생한다.

ABSTRACT

Dirac semimetals and Weyl semimetals are 3D analogs of graphene in which crystalline symmetry protects the nodes against gap formation [1-3]. Na$_3$Bi and Cd$_3$As$_2$ were predicted to be Dirac semimetals [4,5], and recently confirmed to be so by photoemission [6-8]. Several novel transport properties in a magnetic field $\bf H$ have been proposed for Dirac semimetals [2,9-11]. Here we report an interesting property in Cd$_3$As$_2$ that was unpredicted, namely a remarkable protection mechanism that strongly suppresses back-scattering in zero $\bf H$. In single crystals, the protection results in a very high mobility that exceeds $>10^7$ cm$^2$/Vs below 4 K. Suppression of backscattering results in a transport lifetime 10$^4 imes$ longer than the quantum lifetime. The lifting of this protection by $\bf H$ leads to an unusual giant $\bf H$-linear magnetoresistance that violates Kohler's rule. We discuss how this may relate to changes to the Fermi surface induced by $\bf H$.

연구 동기 및 목표

• Cd₃As₂ 단일 결정에서 초고이동도의 기원을 조사하기 위해.
• 위상적 보호가 전자 백산란을 억제하는 데 미치는 역할을 이해하기 위해.
• 디рак 준금속에서의 운반체 운동 특성의 자기장 의존성을 탐구하기 위해.
• 관측된 자기저항이 코일러의 법칙과 같은 전통적 척도 법칙을 위반하는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 저온에서 고품질 Cd₃As₂ 단일 결정의 전기 운반체 특성을 측정하기 위해.
• 백산란 보호의 붕괴를 탐색하기 위해 자기장을 적용하기 위해.
• 산란 억제 정도를 정량화하기 위해 운반체 수명과 양자 수명을 비교하기 위해.
• 코일러의 법칙 준수 여부를 테스트하기 위해 자기저항 거동을 분석하기 위해.
• 디랙 준금속 상태를 확인하기 위해 각도에 의존하는 광전자 방출 스펙트로스코피 데이터를 사용하기 위해.
• 자기장 하에서의 패리 표면 변화에 대한 이론적 해석을 통해 관측된 자기저항의 원인을 설명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cd₃As₂에서 저온에서 관측된 초고이동도의 원인은 무엇인가?
• RQ2 디랙 준금속 밴드 구조의 위상적 보호가 전자 백산란을 어떻게 억제하는가?
• RQ3 왜 Cd₃As₂의 자기저항은 코일러의 법칙을 위반하는 선형 자기장 의존성을 보이는가?
• RQ4 자기장을 적용하면 왜 백산란 보호 메커니즘이 해제되는가?
• RQ5 자기장 하에서 패리 표면에 어떤 변화가 생겨 관측된 운반체 이상 현상을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• Cd₃As₂는 4 K 이하의 온도에서 이동도가 10⁷ cm²/Vs를 초과하여 뛰어난 전자 운반체 품질을 나타낸다.
• Cd₃As₂의 운반체 수명은 양자 수명보다 10⁴배 이상 길어, 백산란 억제가 뚜렷하게 나타난다.
• 백산란 억제는 디랙 준금속의 밴드 구조에 내재된 위상적 보호에 기인한다.
• 자기장을 적용함으로써 이 보호가 해제되어, 코일러의 법칙을 위반하는 거대한 선형 자기저항이 발생한다.
• 관측된 자기저항 거동은 자기장에 의해 유도된 패리 표면 위상도의 변화에 기인할 수 있다.