[论文解读] Chiral anomaly induced negative magnetoresistance in topological Weyl semimetal NbAs

Xiaojun Yang, Yupeng Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 55

一句话总结

本研究报道了在拓扑外尔半金属 NbAs 中，手征异常诱导的负磁阻效应，展示了在平行电场与磁场条件下外尔费米子的量子输运行为。尽管 Nb 的质量比 Ta 轻，但 NbAs 的自旋-轨道耦合强度却强于 NbP，这由低场正磁阻谷所体现，该谷与负磁阻竞争，表明 As 原子在外尔半金属中的自旋-轨道耦合中具有不可忽略的贡献。

ABSTRACT

In this paper, we report the intercone transport of Weyl fermions in NbAs with external magnetic field in parallel to electric field, a quantum phenomenon known as the Adler-Bell-Jackiw anomaly. Surprisingly, the resulting negative magnetoresistance (MR) in NbAs shows significant difference from NbP. The observed low-field positive MR dip, which is missing in NbP at low temperatures, indicates that the spin-orbital coupling (SOC) is significantly stronger in NbAs than in the former. The results imply that the contribution of arsenic to SOC in TaAs and NbAs is not negligible.

研究动机与目标

• 研究在平行电场与磁场条件下，NbAs 中外尔费米子的量子输运特征。
• 比较 NbAs 与 NbP 中自旋-轨道耦合（SOC）的作用，特别是其在手征异常效应中的影响。
• 确定 As 元素是否在外尔半金属中显著贡献于自旋-轨道耦合，尽管其原子质量较轻。
• 确立 NbAs 作为研究竞争性量子现象的平台，包括手征异常诱导的负磁阻与自旋-轨道耦合驱动的正磁阻谷。
• 通过 Shubnikov-de Haas 振荡，为 NbAs 中非平凡的 Berry 相位和 Landau 能级量子化提供实验证据。

提出的方法

• 采用碘作为输运剂，通过气相外延法生长 NbAs 单晶，并利用能谱显微分析（EDX）验证其化学计量比与纯度。
• 利用 X 射线衍射和摇摆曲线测量对高质量单晶进行表征，测得半高全宽（FWHM）为 0.03°，表明晶体质量优异。
• 采用六探针法测量纵向电阻率与横向霍尔电阻，磁 场方向相对于电流方向可调至不同角度。
• 磁阻（MR）定义为 [ρ(H) − ρ(0)]/ρ(0)，数据针对磁场依赖性与温度变化进行分析，包括磁场平行（θ = 0°）与垂直（θ = 90°）两种构型。
• 通过从电阻率数据中减去多项式背景，提取 Shubnikov-de Haas（SdH）振荡，并利用 1/B 依赖关系确定 Landau 能级序数。
• 应用 Onsager 关系与 Lifshitz-Onsager 量子化规则，从 SdH 振荡数据中提取费米面横截面积与 Berry 相位。

实验结果

研究问题

• RQ1 NbAs 是否在平行电场与磁场条件下表现出手征异常诱导的负磁阻，如外尔半金属理论所预测？
• RQ2 考虑到 Nb 的质量小于 Ta，NbAs 中自旋-轨道耦合强度与 NbP 相比如何？
• RQ3 As 元素在外尔半金属（如 NbAs 和 TaAs）中自旋-轨道耦合的形成中起何作用？
• RQ4 能否通过 SdH 振荡在实验上确认 NbAs 中存在非平凡的 Berry 相位与 Landau 能级量子化？
• RQ5 为何 NbAs 在低温下表现出低场正磁阻谷（低于 0.5 T），而 NbP 中未观察到该现象？这对其电子结构有何启示？

主要发现

• 当磁场与电流平行时，NbAs 中观察到高达 -20% 的手征异常诱导负磁阻，为该材料中外尔费米子量子输运提供了首个直接实验证据。
• 在 2 K 时，低于 0.5 T 的低场区域观察到正磁阻谷，该现象在低温下未在 NbP 中出现，表明 NbAs 中的自旋-轨道耦合强度显著强于 NbP。
• Shubnikov-de Haas 振荡测得非平凡的 π Berry 相位（β = 1/2）与相位偏移 δ = 0.119，与包围外尔节点的电子口袋一致。
• 由振荡频率计算得到的费米面横截面积为 2.38 × 10⁻³ Å⁻²，证实了明确的费米面口袋的存在。
• 纵向电阻率在磁场作用下表现出从金属性到绝缘体样行为的转变，其电阻异常峰随磁场增大向更高温度移动。
• 在垂直磁场下，即使未达到量子极限，仍观测到高达 170% 的线性磁阻（在 300 K 和 7 T 条件下），表明其具有 3D 相对论性电子结构。