[论文解读] Quantum oscillation of thermal conductivity and violation of Weidemann-Franz law in TaAs$_2$ and NbAs$_2$

Xin Rao, Xian Zhao+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2019

Theoretical and Computational Physics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究在亚开尔文温度下报告了TaAs₂和NbAs₂单晶中显著违反魏德曼-弗朗兹定律的现象，此时电子热导率遵循T⁴依赖关系，而电阻率保持与温度无关。在高达14 T的强磁场下，热导率中的量子振荡揭示了非平凡的贝里相位，表明费米液体行为的破缺，并为这些Ⅱ型外尔半金属候选材料中存在非费米液体物理提供了证据。

ABSTRACT

We report a study of thermal conductivity and resistivity at ultra-low temperatures and in high magnetic fields for semi-metal materials TaAs$_2$ and NbAs$_2$ by using single crystal samples. The thermal conductivity is strongly suppressed in magnetic fields, having good correspondence with the large positive magnetoresistance, which indicates a dominant electronic contribution to thermal conductivity. In addition, not only the resistivity but also the thermal conductivity display clear quantum oscillations behavior at subKelvin temperatures and in magnetic fields up to 14 T. The most striking phenomenon is that the thermal conductivity show a $T^4$ behavior at very low temperatures, while the resistivity show a $T$-independent behavior. This indicates a strong violation of the Weidemann-Franz law and points to a non-Feimi liquid state of these materials.

研究动机与目标

• 研究TaAs₂和NbAs₂在超低温度和高磁场下的电子输运特性。
• 检验魏德曼-弗朗兹定律在这些半金属体系中的有效性，特别是在零温极限下。
• 通过量子振荡测量探究热输运和电输运的电子起源。
• 确定所观察到的输运异常是否表明费米液体理论在这些拓扑半金属中的破缺。

提出的方法

• 通过化学气相输运法生长TaAs₂和NbAs₂的单晶，并沿晶体学轴切割以实现精确的输运测量。
• 采用标准四探针技术测量低温电阻率，以评估载流子动力学。
• 采用“一个加热器、两个温度计”技术测量热导率，以分离电子贡献。
• 通过朗道能级扇形图分析热导率中的量子振荡，并与舒布尼克夫-德哈斯（SdH）振荡进行比较。
• 利用热导率与电阻率振荡之间的相位差，推断魏德曼-弗朗兹定律的破缺。
• 通过朗道能级指数分配提取非平凡的贝里相位，以确认费米面口袋的拓扑特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超低温度下，特别是在T → 0极限时，魏德曼-弗朗兹定律在TaAs₂和NbAs₂中是否仍然成立？
• RQ2 零磁场下电子热导率呈现T⁴依赖关系的物理起源是什么？
• RQ3 热导率中的量子振荡与电阻率中的振荡相比如何？它们揭示了费米面的何种拓扑结构？
• RQ4 热振荡与电振荡之间的相位差是否可用于识别非费米液体行为？
• RQ5 贝里曲率和拓扑能带结构在这些材料中费米液体行为破缺的过程中起何种作用？

主要发现

• TaAs₂和NbAs₂中的电子热导率在亚开尔文温度下表现出T⁴依赖关系，表明与费米液体预期存在强烈偏离。
• 在极低温度下电阻率保持与温度无关，证实了无温度依赖性散射机制的存在。
• T⁴热导率与温度无关的电阻率相结合，明确揭示了魏德曼-弗朗兹定律的违反。
• 在高达14 T的磁场下观测到热导率中的量子振荡，存在三个明显的振荡频率：Fα = 56 T，Fβ = 36 T，Fδ = 16.8 T。
• 热导率振荡的相位相对于SdH振荡整体偏移π/2，证实了魏德曼-弗朗兹定律的破缺。
• 朗道能级扇形图揭示所有三个费米面口袋（α、β、δ）均具有非平凡的贝里相位（φ ≈ π），确认了其拓扑特性。