[论文解读] Magnetotransport in Sr3PbO antiperovskite with three-dimensional massive Dirac electrons

S. Suetsugu, K. Hayama+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 53被引用 11

一句话总结

本研究 investigates magnetotransport in single-crystal Sr₃PbO，一种预测可容纳三维质量狄拉克电子的立方反钙钛矿材料。通过量子振荡和磁阻测量，研究证实空穴朗道能级质量极小（~0.01–0.06 mₑ），且磁阻呈线性、温度无关特性，证实了三维质量狄拉克费米子的存在，并在约5 T时实现量子极限。

ABSTRACT

Novel topological phenomena are anticipated for three-dimensional (3D) Dirac electrons. The magnetotransport properties of cubic ${ m Sr_{3}PbO}$ antiperovskite, theoretically proposed to be a 3D massive Dirac electron system, are studied. The measurements of Shubnikov-de Haas oscillations and Hall resistivity indicate the presence of a low density ($\sim 1 imes 10^{18}$ ${ m cm^{-3}}$) of holes with an extremely small cyclotron mass of 0.01-0.06$m_{e}$. The magnetoresistance $Δρ_{xx}(B)$ is linear in magnetic field $B$ with the magnitude independent of temperature. These results are fully consistent with the presence of 3D massive Dirac electrons in ${ m Sr_{3}PbO}$. The chemical flexibility of the antiperovskites and our findings in the family member, ${ m Sr_{3}PbO}$, point to their potential as a model system in which to explore exotic topological phases.

研究动机与目标

• 通过实验验证Sr₃PbO反钙钛矿中是否存在三维质量狄拉克电子，该材料理论上预测可容纳此类准粒子。
• 研究Sr₃PbO的磁输运性质，以探究其低能准粒子的特性及其在磁场下的响应行为。
• 确定该体系在实验可及磁场范围内是否可实现量子极限。
• 评估反钙钛矿材料作为可调平台在探索源自三维狄拉克费米子的奇异拓扑物相方面的潜力。

提出的方法

• 在高磁场下测量舒布尼科夫-德哈斯（SdH）振荡，以提取费米面拓扑结构和朗道能级质量。
• 分析霍尔电阻率以确定载流子类型、浓度和迁移率。
• 测量纵向磁阻Δρₓₓ(B)，以评估其磁场依赖性和温度不变性。
• 利用朗道能级量子化模型，从振荡频率估算费米能级和朗道能级间距。
• 将实验结果与狄拉克费米子理论模型及经典无序效应模型进行对比。
• 测量并分析角度依赖性，以评估费米面各向异性和其对输运性质的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sr₃PbO的磁输运性质是否为三维质量狄拉克电子的存在提供了证据？
• RQ2 在实验可及磁场范围内，Sr₃PbO是否实现了量子极限？其所需磁场强度是多少？
• RQ3 为何该体系的纵向磁阻在磁场中呈线性且与温度无关？
• RQ4 费米面各向异性如何影响SdH振荡和磁阻的解释？
• RQ5 所观测到的输运行为能否由经典无序模型解释？还是与狄拉克费米子的量子极限效应一致？

主要发现

• 舒布尼科夫-德哈斯振荡显示空穴载流子浓度约为1×10¹⁸ cm⁻³，且朗道能级质量极小（0.01–0.06 mₑ），与三维质量狄拉克费米子一致。
• 纵向磁阻Δρₓₓ(B)表现出与磁场的线性依赖关系，且温度不变，这是量子极限行为的典型特征。
• 费米能级估算为~110–130 meV，n=1时朗道能级间距约为115 meV，表明量子极限在约5 T时达到。
• 通过两种不同费米面截面估算的费米能级结果一致，支持存在等效且各向异性的费米口袋。
• 由于Δρₓₓ(B)在温度变化时保持不变，而ρₓₓ(B)随温度变化，该输运行为无法被经典无序模型完全解释。
• 该体系具有约10 meV的能隙，与费米能级和朗道能级间距相比可忽略不计，验证了狄拉克费米子模型的适用性。