[論文レビュー] Impurity dependent superconductivity, Berry phase and bulk Fermi surface of the Weyl type-II semi-metal candidate MoTe2

Daniel Rhodes, Qiong Zhou+10 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、高品質な単結晶β-MoTe₂における超伝導、ベリー位相、およびフェルミ面トポロジーを調査し、不純物依存の超伝導転移温度と、シュビニコフ＝ド・ハース振動から得られる約πの非自明なベリー位相を明らかにした。実験的に抽出されたフェルミ面幾何学的構造は理論的予測から著しく逸脱しており、100 K未満での構造的・電子的進化を示唆している。

ABSTRACT

Orthorhombic MoTe$_2$ and its isostructural compound WTe$_2$ were recently claimed to belong to a new class (type II) of Weyl semi-metals characterized by a linear touching between hole and electron Fermi surfaces in addition to nodal lines. To validate these predictions, we synthesized high quality single-crystals of $\beta$-MoTe$_2$, finding that its superconducting transition temperature depends on disorder as quantified by the ratio between the room- and low-temperature resistivities. Similar to WTe$_2$, its magnetoresistivity does not saturate at high magnetic fields and can easily surpass $10^{6}$ %, with the superimposed Shubnikov de Haas oscillations revealing a non-trivial Berry phase of $\simeq \pi$. The geometry of the Fermi surface, as extracted from the quantum oscillations, is markedly distinct from the calculated one. A broad anomaly seen in the heat capacity and in the Hall-effect indicates that the crystallographic and the electronic structures evolve upon cooling below 100 K, likely explaining the discrepancy between these recent predictions and our experimental observations.

研究の動機と目的

• β-MoTe₂が電子とホールのフェルミ面が線形に接するタイプ-IIワイル半金属であるという最近の理論予測を検証すること。
• 高品質な単結晶β-MoTe₂における不純物の影響が超伝導転移温度に与える影響を調査すること。
• 量子振動を用いた電子状態のプローブと、フェルミ面幾何学的構造およびベリー位相の抽出。
• 100 K未満での比熱およびホール効果の異常を検討し、実験と理論の乖離を理解すること。

提案手法

• 外部的不純物効果を最小限に抑えるために高品質な単結晶β-MoTe₂の合成。
• 室温および低温での抵抗率測定により、ρ293/ρ4.2比を用いて不純度を定量化。
• 最大30 Tの高磁場における磁気抵抗測定により、10⁶ %を超える非飽和挙動を観測。
• シュビニコフ＝ド・ハース振動の解析により、ベリー位相およびフェルミ面トポロジーを抽出。
• 100 K未満での比熱およびホール効果測定により、構造的または電子的転移の検出。
• 実験的に導かれたフェルミ面幾何学的構造とab initio計算の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温から低温への抵抗率比で定量化される不純度が、β-MoTe₂における超伝導転移温度にどのように影響するか？
• RQ2 β-MoTe₂におけるベリー位相の値は何か？ これはそのトポロジカルな電子状態にどのような意味を持つのか？
• RQ3 β-MoTe₂の実験的に決定されたフェルミ面幾何学的構造は、理論的予測とどのように異なるか？
• RQ4 100 K未満での比熱およびホール効果の観察された異常は、何が原因であり、電子的性質にどのように影響するか？
• RQ5 なぜβ-MoTe₂における予測されたフェルミ面トポロジーと観測されたフェルミ面トポロジーの間に顕著な乖離が生じるのか？

主な発見

• β-MoTe₂における超伝導転移温度は、ρ293/ρ4.2抵抗率比によって示される不純度に強く依存している。
• 高磁場領域で磁気抵抗が10⁶ %を超えることは、強い電子相関および非飽和挙動を示唆している。
• シュビニコフ＝ド・ハース振動から、非自明なベリー位相が約πに等しいことが判明し、非自明なトポロジカル状態と整合的である。
• 実験的に抽出されたフェルミ面幾何学的構造はab initio計算とは著しく異なり、予測されたタイプ-IIワイル半金属の挙動とは乖離していることを示唆している。
• 100 K未満での比熱およびホール効果に広い異常が観察され、構造的または電子的転移の兆候であり、観測された乖離の原因である可能性がある。
• 100 K未満での結晶構造および電子構造の進化が、理論モデルがβ-MoTe₂のフェルミ面を正確に記述できない理由を説明できる可能性がある。