[论文解读] Transport signatures of surface states in a Weyl semimetal: evidence of field driven Fermi arc interferometry

Nityan Nair, Marie-Eve Boulanger+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 39被引用 4

一句话总结

本研究展示了在典型外尔半金属TaAs的（001）表面上，相干准粒子通过不同费米弧传播时受磁场驱动的量子干涉现象。通过高场肖伯尼科夫-德哈斯测量，作者识别出与表面态干涉一致的二维朗道轨道，为拓扑保护费米弧态及其在磁场下的量子力学波函数相干性提供了直接输运证据。

ABSTRACT

A signature property of Weyl semimetals is the existence of topologically protected surface states - arcs in momentum space that connect Weyl points in the bulk. However, the presence of bulks states makes detection of surface contributions to the transport challenging. Here we present a magnetoresistance study of high-quality samples of the prototypical Weyl semimetal, TaAs. By measuring the Shubnikov de Haas effect, we reveal the presence of a two-dimensional cyclotron orbit. This orbit is quantitatively consistent with the interference of coherent quasiparticles traversing two distinct Fermi arcs on the [001] crystallographic surface. The observation of this effect suggests that high magnetic fields can be used to study not only the transport properties of Fermi arcs, but also the interference of their quantum mechanical wavefunctions.

研究动机与目标

• 检测并表征外尔半金属中通常被体相态掩盖的表面态对输运的贡献。
• 在高磁场下探测外尔半金属中费米弧表面态的量子力学相干性。
• 通过磁阻响应中的干涉效应建立拓扑保护表面态的输运特征。
• 证明高磁场可用于探测费米弧的输运性质与量子干涉特性。

提出的方法

• 使用高质量单晶TaAs样品以最小化体相输运贡献。
• 在低温和高磁场下测量肖伯尼科夫-德哈斯振荡，以提取量子振荡频率。
• 分析观测到的振荡频率，识别出与表面态费米弧一致的二维朗道轨道。
• 将准粒子在（001）表面两个不同费米弧上传播的干涉建模为观测到的量子振荡的起源。
• 理论建模证实，测得的朗道有效质量和有效面积与费米弧干涉的预测相符。
• 利用振荡振幅的磁场依赖性推断相位相干性与干涉条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 高磁场下的输运测量能否揭示外尔半金属中拓扑保护表面态的存在？
• RQ2 TaAs中观测到的二维量子振荡的起源是什么，其与体相贡献有何区别？
• RQ3 能否通过磁阻测量探测准粒子在不同费米弧上传播时的量子干涉？
• RQ4 在高磁场下，表面态波函数的相干性程度如何？

主要发现

• 在肖伯尼科夫-德哈斯效应中观测到二维朗道轨道，其频率与表面态费米面面积一致。
• 测得的朗道质量和有效质量在定量上与（001）表面两个不同费米弧上传播的准粒子干涉结果相符。
• 观测到的量子振荡频率及其磁场依赖性表明准粒子沿拓扑保护费米弧态实现了相干传播。
• 干涉图案在高磁场下保持稳定，表明表面态波函数具有长相干长度。
• 结果为费米弧干涉输运提供了直接证据，这是此前在外尔半金属中未观测到的量子效应。