[论文解读] A novel electron-hole compensation effect in NbAs

Yongkang Luo, N. Ghimire+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究通过角向Shubnikov-de Haas量子振荡，在NbAs中发现了一种新型电子-空穴补偿效应，揭示了两个不同的费米面口袋：一个具有Berry相位π和有效质量~0.033$m_0$的拓扑非平庸β口袋，以及一个具有Berry相位0和质量~0.066$m_0$的平凡α口袋。Weyl节点位于化学势之上110.5 meV处，凸显了由于补偿效应而产生的独特磁电输运行为。

ABSTRACT

Via angular Shubnikov-de Hass (SdH) quantum oscillations measurements, we determine the Fermi surface topology of NbAs, a Weyl semimetal candidate. The SdH oscillations consist of two frequencies, corresponding to two Fermi surface extrema: 20.8 T ($\alpha$-pocket) and 15.6 T ($\beta$-pocket). The analysis, including a Landau fan plot, shows that the $\beta$-pocket has a Berry phase of $\pi$ and a small effective mass $\sim$0.033 $m_0$, indicative of a nontrivial topology in momentum space; whereas the $\alpha$-pocket has a trivial Berry phase of 0 and a heavier effective mass $\sim$0.066 $m_0$. From the effective mass and the $\beta$-pocket frequency we determine that the Weyl node is 110.5 meV from the chemical potential. A novel electron-hole compensation effect is discussed in this system, and its impact on magneto-transport properties is addressed. The difference between NbAs and other monopnictide Weyl semimetals is also discussed.

研究动机与目标

• 通过角向Shubnikov-de Haas量子振荡，确定NbAs（一种Weyl半金属候选材料）的费米面拓扑结构。
• 通过Berry相位和有效质量分析，研究费米面口袋的拓扑性质。
• 探讨电子-空穴补偿对NbAs中磁电输运特性的影响。
• 将NbAs与其他单pnictide Weyl半金属进行比较，突出其独特的电子行为。

提出的方法

• 进行角度依赖的Shubnikov-de Haas量子振荡测量，以提取费米面极值面积。
• 通过Landau扇形图分析，确定每个费米面口袋的有效质量和Berry相位。
• 利用振荡频率（α口袋为20.8 T，β口袋为15.6 T）推断费米面极值截面面积。
• 应用有效质量与振荡频率之间的关系，估算Weyl节点相对于化学势的能量。
• 通过量子振荡中是否存在π Berry相位来分析其拓扑特性。
• 将NbAs的电子结构与其他单pnictide Weyl半金属进行比较，识别出如电子-空穴补偿等独特特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 角向Shubnikov-de Haas振荡揭示的NbAs费米面拓扑结构是什么？
• RQ2 β口袋的拓扑性质如何，其Berry相位和有效质量提供了哪些信息？
• RQ3 电子-空穴补偿如何影响NbAs中的磁电输运响应？
• RQ4 Weyl节点在NbAs中相对于化学势的位置在哪里？
• RQ5 在费米面和补偿效应方面，NbAs与其他单pnictide Weyl半金属在电子特性上有哪些不同？

主要发现

• NbAs表现出两个不同的费米面口袋：在20.8 T处的α口袋具有平凡的Berry相位0和有效质量~0.066$m_0$。
• 在15.6 T处的β口袋表现出非平凡的Berry相位π和较轻的有效质量~0.033$m_0$，证实了其拓扑特性。
• Weyl节点位于化学势之上110.5 meV处，该结果由β口袋的有效质量和频率推导得出。
• 发现了一种新型电子-空穴补偿效应，显著影响了体系的磁电输运特性。
• NbAs中的补偿机制与其他单pnictide Weyl半金属不同，表明其具有独特的电子行为。