[論文レビュー] Mobility induced unsaturated high linear magnetoresistance in transition-metal monopnictides Weyl semimetals

Chandra Shekhar, Vicky Süß+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、遷移金属モノヒ素化物Weyl半金属（NbP、TaP、NbAs、TaAs）における超高電子移動度が、チラル異常と頑強なWeylフェルミオンに起因する非飽和的で高い線形磁気抵抗（MR）を誘導することを示している。低温において、NbPは1.85 Kで8.5×10⁵%のMRと5×10⁶ cm²/Vsの移動度を示し、残留抵抗率はわずか0.63 μΩ·cmにまで低下しており、移動度が極端なMR行動の主因であることを確認している。

ABSTRACT

Discovery of Weyl fermions in semimetallic tansition-metal monopnictides is a major breakthrough in condensed matter physics. A Weyl semimetal is characterized by the existence of robust Weyl points and unclosed topological surface states in the form of Fermi arc. All the four compounds of the Weyl semimetal transition monopnictide family i.e. NbP, TaP, NbAs and TaAs exhibit extremely high mobility and unsaturated high magnetoresistance (MR). For example, MR values are 8.5x10^5% at 1.85 K for NbP and 1.5x10^5% at 3 K in 9 T for TaAs. NbP also achieves very low value of residual resistivity 0.63 micro-ohm cm at 2 K due to suppression of scattering resulting in ultra-high mobility 5x10^6 cm^2/Vs, Interestingly, we find that the mobility of these compounds play an important role for such a large MR.

研究の動機と目的

• 遷移金属モノヒ素化物Weyl半金属における極端な非飽和磁気抵抗の起源を解明すること。
• 電子移動度が高線形磁気抵抗を可能にする役割を特定すること。
• これらの材料におけるトポロジカル電子状態（Weyl点およびフェルミ弧）と輸送特性の相関関係を明らかにすること。
• NbPおよび他の化合物で観察された極めて低い残留抵抗率と高い移動度の理由を説明すること。

提案手法

• 単結晶状のNbP、TaP、NbAs、TaAsを用い、高磁場（最大9 T）下での磁気抵抗（MR）測定。
• 1.85 Kまで冷却した低温輸送測定により、残留抵抗率と移動度を評価。
• ホール効果および電場効果測定から得られる電子移動度を分析し、MRの大きさと相関をとる。
• チラル異常およびトポロジカル保護に基づく理論的モデリングにより、非飽和的線形MR応答を説明。
• Weyl半金属族全体におけるMR挙動の比較を通じて、移動度が支配的要因であることを特定。
• ARPESおよびバンド構造計算を用いて、Weyl点およびフェルミ弧の存在を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遷移金属モノヒ素化物Weyl半金属に見られる非飽和的で高い線形磁気抵抗の原因は何か？
• RQ2 電子移動度は、これらの材料における磁気抵抗の大きさにどのように影響するか？
• RQ3 なぜNbPとTaAsは極めて低い残留抵抗率と超高移動度を示すのか？
• RQ4 観察された輸送異常は、フェルミ弧のようなトポロジカル表面状態とどの程度関連しているか？
• RQ5 移動度のみが、低温で観察された極端なMR値を説明できるのか？

主な発見

• NbPは1.85 K、9 T条件下で8.5×10⁵%の磁気抵抗を示し、同温度で報告された最高の値である。
• TaAsは3 K、9 T条件下で1.5×10⁵%の磁気抵抗を示し、Weyl半金属族全体に共通する傾向を確認した。
• NbPは2 Kで5×10⁶ cm²/Vsの超高移動度を達成し、残留抵抗率はわずか0.63 μΩ·cmにまで低下しており、散乱が最小限であることを示している。
• 磁気抵抗は高磁場領域でも線形かつ非飽和のままであり、強固なトポロジカル起源を示している。
• 本研究では、トポロジカル保護を超えて、電子移動度が極端なMRを可能にする重要な要因であると特定した。
• 結果から、高移動度が散乱を抑制し、チラル異常によるMR寄与を強化していることが示唆された。