[論文レビュー] Role of spin-orbit coupling and evolution of the electronic structure of WTe$_2$ under an external magnetic field

Daniel Rhodes, Suvadip Das+6 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、WTe₂におけるスピン軌道結合および磁場誘発電子状態の進化の役割を、角度および温度依存のシューニコフ＝ド・ハース（SdH）揺動を用いて調査する。4つの異なるフェルミ面断面積が同定され、それらはスピン軌道分裂した電子的およびホール的ポケットに起因するとされ、密度汎関数理論（DFT）が実験的フェルミ面幾何学を再現できないことが示された。主な発見は、フェルミ面が磁場の影響を受けて変化することであり、場磁気に対して依存する有効質量および再規格化された断面積が観測され、物質の巨大で飽和しない磁気抵抗が誘発される動的電子状態が存在する可能性を示唆している。

ABSTRACT

Here, we present a detailed study on the temperature and angular dependence of the Shubnikov-de-Haas (SdH) effect in the semi-metal WTe$_2$. This compound was recently shown to display a very large non-saturating magnetoresistance which was attributed to nearly perfectly compensated densities of electrons and holes. We observe four fundamental SdH frequencies and attribute them to spin-orbit split, electron- and hole-like, Fermi surface (FS) cross-sectional areas. Their angular dependence seems consistent with ellipsoidal FSs with volumes suggesting a modest excess in the density of electrons with respect to that of the holes. We show that density functional theory (DFT) calculations fail to correctly describe the FSs of WTe$_2$. When their cross-sectional areas are adjusted to reflect the experimental data, the resulting volumes of the electron/hole FSs obtained from the DFT calculations would imply a pronounced imbalance between the densities of electrons and holes. We find evidence for field-dependent Fermi surface cross-sectional areas by fitting the oscillatory component superimposed onto the magnetoresistivity signal to several Lifshitz-Kosevich components. We also observe a pronounced field-induced renormalization of the effective masses. Taken together, our observations suggest that the electronic structure of WTe$_2$ evolves with the magnetic field. This evolution might be a factor contributing to its pronounced magnetoresistivity.

研究の動機と目的

• WTe₂におけるフェルミ面に関する理論的予測と実験的観察の不一致を解明すること。
• 高場SdH測定を用いて、WTe₂におけるフェルミ面シートの数および性質を特定すること。
• スピン軌道結合および磁場が電子状態およびフェルミ面幾何学に与える影響を調査すること。
• 強い磁場下におけるWTe₂のフェルミ面を記述するDFT計算の妥当性を評価すること。
• フェルミ面の進化と観測された巨大で飽和しない磁気抵抗との関連を探索すること。

提案手法

• 35 Tまで到達する高場で、単結晶WTe₂を用いて角度および温度依存の磁気抵抗測定を実施し、SdH揺動を調べた。
• SdH周波数の角度依存性分析を実施し、フェルミ面断面積を抽出するとともに、楕円体ポケット幾何学を推定した。
• 磁気抵抗の揺動成分を複数のリフシッツ＝コセヴィッチ成分にフィットさせ、磁場依存の有効質量および周波数を抽出した。
• 実験的フェルミ面データを、スピン軌道結合およびフェルミ準位位置を補正した密度汎関数理論（DFT）計算と比較した。
• ゼーマン効果がスピン分離バンドに与える影響を分析し、フェルミ面トポロジーおよび散乱率の変化に果たす可能性のある役割を検討した。
• オンサーガーの関係を用いて、SdH周波数とフェルミ面断面積の関係を確立し、ポケット体積を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WTe₂に存在する明確に区別できるフェルミ面シートはいくつであり、それらのスピン軌道分裂特性は何か？
• RQ2 DFT計算は、実験的SdHデータと比較して、WTe₂のフェルミ面幾何学をどの程度正確に記述できるか？
• RQ3 磁場がWTe₂における有効質量およびフェルミ面断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ゼーマン効果およびスピン軌道結合が、電子状態の変化および巨大磁気抵抗に果たす役割は何か？
• RQ5 WTe₂のフェルミ面は磁場依存の再構成を示すか？ もしそうであれば、準粒子散乱および輸送にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 4つの明確に区別できるSdH周波数が観測され、2つのスピン軌道分裂した電子的ポケットおよび2つのホール的ポケットの存在を示している。
• フェルミ面断面積の角度依存性は、楕円体ポケットによって最もよく記述され、ホール密度が電子密度より約4%多いことを示唆している。
• DFT計算は実験的フェルミ面幾何学を再現できない。特にホールポケットに関して顕著であり、断面積が一致した場合、顕著な電子-ホール不均衡を予測するだろう。
• SdH信号の磁場依存フィットにより、磁場が高まるにつれて有効質量の顕著な再規格化が観測され、動的電子状態の進化を示している。
• 基本的なSdH周波数が磁場に依存して変化しており、フェルミ面幾何学が静的ではなく、外部磁場に応答して変化することを示唆している。
• ゼーマン効果がスピン分離バンドをフェルミ準位に対して相対的にずらす可能性があり、バックスキャッタリングチャネルを開放し、WTe₂で観測された巨大で飽和しない磁気抵抗に寄与している可能性がある。