[논문 리뷰] Quantum Phase Transitions in Weyl Semimetal Tantalum Monophosphide

Chenglong Zhang, Chi‐Cheng Lee외 14명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 22.

Topological Materials and Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 탄탈룸 모노포스파이드(TaP)인 3차원 위어리 위상학적 페르미온 반도체에서 처음으로 자기장에 의해 유도되는 양자상전이를 보고한다. 강한 자기장에서 위어리 페르미온은 최저 랑주 수준에 갇히며, 이로 인해 집합 상태의 기여가 임계 자기장 $H^*$에서 사라지면서 홀 전기저항의 부호가 급격히 반전된다. 이는 전자 상호작용에 의해 유도되는 새로운 위상학적 상전이임을 시사한다.

ABSTRACT

Magnetic fields perturb the motion of charged quasi-particles in solids in different ways including driving a quantum phase transition to a new state. Well-known examples include the integer and fractional quantum Hall effects \cite{FQHE,QHE_von} and the magnetic field-induced quantum phase transitions in topologically trivial semimetals such as graphite and bismuth \cite{graphite_CDW_experi1,graphite_CDW_experi2,CDW1,CDW_Bi}. A Weyl semimetal provides the first-ever realization of Weyl fermions. Such an exotic metal is characterized by the topological charges, which are momentum space monopoles and anti-monopoles that arise from the distinct chiralities of the Weyl fermions. Here we report a new quantum phase transition that arises from the Weyl fermionic quasiparticles in the Weyl semimetal tantalum monophosphide, TaP, under an intense magnetic field. We observed a sharp sign reversal of the Hall resistivity when the Weyl fermions are confined to the lowest Landau level. In this exotic chiral electron subband of a Weyl semimetal, which was never been studied experimentally beforehand, the Weyl fermions form an unexpected, collective state whose contribution to the Hall signal suddenly vanishes at a critical magnetic field ($H^{\ast}$) where the Weyl fermions enter the lowest Landau level. Our results taken collectively represent the first magnetic-field-driven quantum phase transition in a 3D bulk topological material and may suggest the emergence of new topological phases due to electronic correlations.

연구 동기 및 목표

• 강한 자기장 하에서 3차원 위상학적 위어리 반도체에서의 양자상전이를 조사하기 위해.
• 바깥 위상학적 물질에서 최저 랑주 수준에 갇힌 위어리 페르미온의 거동을 탐구하기 위해.
• 전자 상호작용이 위어리 페르미온 시스템에서 집합 상태가 나타나는 데 기여하는지 확인하기 위해.
• TaP의 양자 홀 반응에서 새로운 위상학적 상의 징후를 규명하기 위해.

제안 방법

• TaP의 위어리 페르미온에서 랑주 양자화를 유도하기 위해 강력한 자기장을 적용하기 위해.
• 다양한 자기장에서 홀 반응을 탐색하기 위해 縦방향 및 횡방향 전기저항 측정하기 위해.
• 홀 전기저항이 급격히 부호를 반전시키는 임계 자기장 $H^*$를 식별하기 위해.
• 최저 랑주 수준에서 편향 전자 준대역의 형성을 확인하기 위해 자기장 하에서의 전자 구조 분석하기 위해.
• 위어리 반도체에서의 편향 애너멀리 및 랑주 수준 양자화 이론 예측과 비교하기 위해.
• 편향 준대역에서 집합 상태의 출현을 탐지하기 위해 전기적 성질 측정을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 자기장에서 위어리 페르미온이 최저 랑주 수준에 갇힐 때 TaP의 홀 전기저항은 어떻게 되는가?
• RQ2 최저 랑주 수준에서 편향 전자 준대역이 형성되면 TaP에서 새로운 양자상전이가 일어나는가?
• RQ3 위어리 반도체에서의 전자 상호작용이 홀 반응을 억제하는 집합 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ4 홀 전기저항의 부호가 반전되는 임계 자기장 $H^*$는 무엇이며, 이는 전자 상태에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 이 상전이는 3차원 무한위상학적 반도체에서 새로운 위상학적 상을 나타내는가?

주요 결과

• 임계 자기장 $H^*$에서 TaP에서 홀 전기저항의 급격한 부호 반전을 관측하여 양자상전이를 시사한다.
• 부호 반전은 위어리 페르미온이 최저 랑주 수준에 갇힐 때 발생하며, 새로운 전자 상태로의 전이를 시사한다.
• $H^*$에서 홀 신호 기여가 급격히 사라지며, 이는 편향 준대역에서 집합 상태의 출현을 시사한다.
• 이것은 3차원 무한위상학적 물질에서 자기장에 의해 유도되는 양자상전이의 첫 번째 실험적 관측이다.
• 결과는 전자 상호작용이 위어리 반도체에서 새로운 위상학적 상의 형성을 이끌 수 있음을 시사한다.
• 관측된 현상은 이전에 실험적으로 연구되지 않은 편향 랑주 수준 준대역 고유의 특성이다.