[論文レビュー] Titanic magnetoresistance and signature of non-degenerate Dirac nodes in ZrSiS

Ratnadwip Singha, Arnab Pariari+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、2 Kおよび9 Tの条件下でZrSiS単結晶において、非常に大きな非飽和磁気抵抗（約1.4 × 10⁵%）が報告された。これは非簡並のディラックフェルミオンに起因する。量子振動により、複数のフェルミポケット、非自明なπベリー位相、および共存する電子とホールキャリアが明らかとなり、準粒子のディラック性が確認され、フェルミ波数、フェルミ速度、およびサイクロトロン有効質量の正確な抽出が可能になった。

ABSTRACT

We present the results on magnetotransport properties of ZrSiS single crystals. Extremely large, non-saturating and non-linear magneto-resistance ($\sim$ 1.4 $ imes$ 10$^{5}$\%) is observed at 2 K and 9 T magnetic field. Large anisotropy in magnetoresistance, with field applied along different crystallographic axes, have also been observed. The Shubnikov - de Haas oscillation reflects the presence of a small and a large Fermi pocket. Quantum oscillation along with Hall resistance indicate multiple band crossing at different energy levels of electronic band structure and the contribution of both hole and electron type charge carriers, which is in agreement with the earlier theoretical and ARPES reports. Non trivial $\pi$ Berry phase confirms the Dirac fermionic nature of charge carriers. Fermi wave vector, Fermi velocity and cyclotron effective mass of the charge carrier have been calculated from the oscillation data.

研究の動機と目的

• ZrSiS単結晶の磁気輸送特性を調査し、極端な磁気抵抗の起源を特定すること。
• 複数のバンドクロスイングとフェルミ表面トポロジーを含む、電子バンド構造の特徴を特定すること。
• 量子振動測定とベリー位相解析により、ディラックフェルミオンの存在を確認すること。
• 振動データからフェルミ波数、フェルミ速度、およびサイクロトロン有効質量といった重要な電子的パラメータを抽出すること。

提案手法

• 高磁場および低温度（2 K）下での高品質ZrSiS単結晶における磁気輸送特性の測定。
• シュビニコフ＝ド・ヘース振動の解析により、フェルミ表面情報とキャリア有効質量を抽出すること。
• ホール抵抗の検査により、系内に共存する電子とホールキャリアを特定すること。
• 量子振動データのフィッティングにより、フェルミ波数とフェルミ速度を決定すること。
• 振動周期と位相差からベリー位相を評価し、ディラックフェルミオン的性質の確認を行うこと。
• 実験結果を理論的予測およびバンド構造に関するARPESデータと比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZrSiSにおいて低温で観測された巨大で非飽和の磁気抵抗の原因は何か？
• RQ2 フェルミ表面トポロジーと複数のバンドクロスイングは、輸送挙動にどのように影響するか？
• RQ3 ZrSiSに非簡並のディラックノードが存在することを示す証拠は何か？
• RQ4 キャリアの性質（電子的かホール的か）とその輸送への寄与は何か？
• RQ5 抽出された電子的パラメータ（フェルミ波数、速度、有効質量）は理論的予測とどのように一致するか？

主な発見

• 2 Kおよび9 Tの条件下で、非飽和磁気抵抗が約1.4 × 10⁵%観測され、磁場に対する極めて高い感受性を示した。
• 磁場の方向が結晶学的軸に対して異なる場合、顕著な異方性磁気抵抗が観測された。
• シュビニコフ＝ド・ヘース振動により、小さなフェルミポケットと大きなフェルミポケットの両方が存在することが明らかとなり、複雑なフェルミ表面トポロジーが示された。
• 量子振動とホール抵抗測定により、異なるエネルギー準位での複数のバンドクロスイングと、共存する電子とホールキャリアが確認された。
• 非自明なπベリー位相が抽出され、準粒子のディラックフェルミオン的性質を直接示す証拠が得られた。
• フェルミ波数、フェルミ速度、およびサイクロトロン有効質量が振動データから定量的に決定され、ディラック半金属の挙動と整合的であった。