[논문 리뷰] Large linear magnetoresistance and weak anti-localization in Y(Lu)PtBi topological insulators

Chandra Shekhar, Erik Kampert외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 02.

Topological Materials and Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고질적 단일결정 Y(Lu)PtBi 헤우슬러 화합물에서의 큰 선형 자기저항성(MR)과 약한 반국소화(WAL)를 조사하여, 낮은 운반자 농도와 강한 스핀오비트 결합을 가진 반금속적 거동를 규명한다. 60 T까지의 비포화 선형 MR와 50 K 이하에서 온도에 의존하지 않는 WAL은 위상적 표면 상태에 대한 강력한 증거를 제공하며, 이는 비록 부피에서의 고전적 이동도 기반 메커니즘이 존재하더라도 선형 MR가 양자 기원을 가졌음을 시사한다.

ABSTRACT

Topological insulators are new kind of Dirac materials that possess bulk insulating and surface conducting behavior. They are basically known for their unique electronic properties at the surface. Here we present the magneto-transport properties of our high quality single crystalline Y(Lu)PtBi Heusler topological insulators, which belong to a group of noncentrosymmetric superconductor with Tc = 0:8 K. Both the compounds show semi-metallic behavior with low charge carrier of 6 x1018 cm^-3 for YPtBi and 8 x1019 cm^-3 for LuPtBi at 2 K. Magneto-conductivity measurements in the tilted field indicate that the charge carriers transport through quantum interference. This provide a direct evidence of weak anti-localization below 50 K, giving a strong signature of surface transport. Most importantly, these compounds show very high unsaturated linear magnetoresistance of approximately 2000% at 10 K in a magnetic field of 60 T.

연구 동기 및 목표

• 고품질 단일결정 Y(Lu)PtBi 헤우슬러 화합물의 위상적 절연체로서의 자화운반성질을 조사하기 위해.
• 이 물질들에서 관측된 큰 비포화 선형 자기저항성(MR)의 기원을 규명하기 위해.
• 약한 반국소화(WAL)가 위상적 표면 상태 운반체를 확인하는 데서 수행하는 역할을 규명하기 위해.
• 비자성 위상적 절연체에서 선형 MR의 양자 기원과 고전 기원을 구분하기 위해.
• 낮은 운반자 농도를 가진 반금속적 위상적 절연체에서 부피와 표면 운반체 간의 상호작용을 평가하기 위해.

제안 방법

• Y(Lu)PtBi의 단일결정은 Bi를 플럭스로 사용하여 플럭스 방법으로 성장시켰으며, 스토이키오메트릭 비율을 유지하고 아르곤 분雰위에서 세라믹용기 안에 밀봉하였다.
• Laue X선 회절 및 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 통해 결정 구조와 조성을 확인하였으며, 격자 상수는 각각 YPtBi의 6.651 Å와 LuPtBi의 6.574 Å를 얻었다.
• 0.3 K에서 300 K까지의 락인 기법을 사용한 Quantum Design PPMS 시스템에서 사면저항도 및 오면홀 측정을 수행하였다.
• 기울인 자기장 하에서의 자기도 변화를 측정하여 양자 간섭 효과를 탐색하고 WAL 매개변수를 추출하였다.
• 이론적 분석은 Δσ = −(e²/h) × (1/π) × ln(1 + B/B₀) 형태의 WAL 모델을 사용하였으며, 여기서 B₀는 특성 자기장 척도이다.
• 선형 MR는 고전적 이동도 모델을 사용하여 분석하였고, 선형 디라크 분산과 영간격 반금속 거동 기반의 양자 MR 예측과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Y(Lu)PtBi 위상적 절연체에서 관측된 큰 비포화 선형 자기저항성의 기원은 무엇인가?
• RQ2 이 물질들에서의 약한 반국소화(WAL)는 위상적 표면 상태 존재를 어느 정도 확인하는가?
• RQ3 이 반금속적 헤우슬러 화합물에서 부피와 표면 기여의 운반체 상호작용은 어떻게 상호작용하는가?
• RQ4 Y(Lu)PtBi에서의 선형 MR는 주로 위상적 표면 상태에서 기인하는 양자 효과 때문인가, 아니면 고전적 이동도 효과 때문인가?
• RQ5 왜 자기저항은 60 T까지 선형이고 포화되지 않으며, 50 K 이하에서는 거의 온도에 의존하지 않는가?

주요 결과

• YPtBi와 LuPtBi는 각각 2 K에서 6 × 10¹⁸ cm⁻³ 및 8 × 10¹⁹ cm⁻³의 낮은 전하 운반자 농도를 가지며 반금속적 거동를 나타낸다.
• 50 K 이하에서 약한 반국소화(WAL)가 관측되어 양자 간섭과 위상적 표면 상태를 통한 운반체를 시사한다.
• 60 T 자기장 하에서 200 K에서 약 2000%의 자기저항을 보이며 강한 비포화와 선형성을 나타낸다.
• 선형 MR는 50 K까지 거의 온도에 의존하지 않으며, 선형 디라크 분산과 영간격 반금속 거동에 일치하는 양자 기원을 지지한다.
• WAL 매개변수 k₂는 2 K에서 0.5에서 50 K에서 1.0으로 증가하여 2D 표면에서 3D 부피 국소화 효과로의 전이를 나타낸다.
• 비록 고전적 이동도 기반 메커니즘이 존재하더라도, 낮은 운반자 농도, 선형 분산, 그리고 위상적 표면 상태의 조합은 선형 MR가 강력하게 양자 기원을 가졌음을 시사한다.