[論文レビュー] Large and unsaturated negative magnetoresistance induced by the chiral anomaly in the Weyl semimetal TaP

Chandra Shekhar, F. Arnold+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、Weyl半金属TaPにおいて、Weylノードからフェルミエネルギーが大きく離れているためにヘリシティが明確に定義されない状況下でも、大きな未飽和な負の磁気抵抗が観測されることを示した。角度分解量子振動分光法とバンド構造計算を用いて、スピン極化されたバナナ型のフェルミポケットを同定し、共線配置の電場と磁場下でもキラル磁気効果が継続することを確認した。これにより、非理想なWeyl系におけるキラル異常の検出に向けた堅牢なフレームワークが提供された。

ABSTRACT

Weyl semimetals (WSMs) are topological quantum states wherein the electronic bands linearly disperse around pairs of nodes, the Weyl points, of fixed (left or right) chirality. The recent discovery of WSM materials triggered an experimental search for the exotic quantum phenomenon known as the chiral anomaly. Via the chiral anomaly nonorthogonal electric and magnetic fields induce a chiral density imbalance that results in an unconventional negative longitudinal magnetoresistance, the chiral magnetic effect. Recent theoretical work suggests that this effect does not require well-defined Weyl nodes. Experimentally however, it remains an open question to what extent it survives when chirality is not well-defined, for example when the Fermi energy is far away from the Weyl points. Here, we establish the detailed Fermi surface topology of the recently identified WSM TaP via a combination of angle-resolved quantum oscillation spectra and band structure calculations. The Fermi surface forms spin-polarized banana-shaped electron and hole pockets attached to pairs of Weyl points. Although the chiral anomaly is therefore ill-defined, we observe a large negative magnetoresistance (NMR) appearing for collinear magnetic and electric fields as observed in other WSMs. In addition, we show experimental signatures indicating that such longitudinal magnetoresistance measurements can be affected by an inhomogeneous current distribution inside the sample in a magnetic field. Our results provide a clear framework how to detect the chiral magnetic effect.

研究の動機と目的

• フェルミエネルギーがWeylノードから離れている場合、ヘリシティが明確に定義されないWeyl半金属においても、キラル異常および関連する負の磁気抵抗が維持されるかを調査すること。
• 量子振動測定と第一原理計算を用いて、TaPの詳細なフェルミ表面トポロジーをマップすること。
• ヘリシティが不確かであるWeylノードを有する材料において、キラル磁気効果を実験的に観測できる条件を特定すること。
• 縦方向磁気抵抗測定に影響を及ぼす可能性のある実験的アーティファクト、例えば不均一な電流分布を同定・特徴付けること。

提案手法

• TaPのフェルミ表面トポロジーをプローブするための角度分解de Haas–van Alphen量子振動分光法。
• 観測されたフェルミ表面幾何学およびWeyl点位置の妥当性を検証するための第一原理バンド構造計算。
• 共線配置の電場と磁場下での縦方向磁気抵抗測定により、キラル磁気効果を検出すること。
• 輸送測定と理論的モデル化を用いて、磁場中における電流分布の不均一性を分析すること。
• 観測された磁気抵抗挙動とWeyl点近傍のスピン極化フェルミ表面ポケットとの相関をとること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミエネルギーがWeylノードから大きく離れている場合、つまりヘリシティが明確に定義されない状況下でも、キラル磁気効果は存続するか？
• RQ2 TaPのフェルミ表面の正確なトポロジーは何か？ また、それはキラル異常とどのように関係しているか？
• RQ3 磁場中における不均一な電流分布が、縦方向磁気抵抗測定にどの程度歪みを及えるか？
• RQ4 複雑でスピン極化されたフェルミ表面ポケットを有するWeyl半金属において、キラル磁気効果を信頼性高く検出できるか？

主な発見

• TaPのフェルミ表面は、Weyl点のペアに接続されたスピン極化されたバナナ型の電子およびホールポケットから構成されており、複雑なトポロジーが確認された。
• フェルミエネルギーがWeylノードから大きく離れているにもかかわらず、共線配置の電場と磁場下で大きな負の磁気抵抗が観測された。
• 負の磁気抵抗の大きさは未飽和であり、堅牢なキラル異常応答を示している。
• 実験的シグナルから、磁場中における不均一な電流分布が縦方向磁気抵抗測定に顕著に影響することが示唆された。
• 本研究の結果は、従来のキラル条件が厳密に満たされていない場合でも、Weyl半金属におけるキラル磁気効果を信頼性高く検出するためのフレームワークを確立した。