[论文解读] Anisotropic Fermi surface probed by the de Haas-van Alphen oscillation in proposed Dirac Semimetal TaSb$_{2}$

Arnab Pariari, Ratnadwip Singha+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用 3

一句话总结

本研究利用TaSb₂单晶中的德哈斯-范阿尔芬（dHvA）振荡，探测各向异性的费米面，揭示当磁场沿不同晶轴方向旋转时，存在三个具有不同横截面积的电子型费米口袋。磁阻各向异性归因于准粒子散射时间的差异，磁阻从约20,000%降至约9,500%，当磁场方向从75°旋转至165°时，证实了电子输运具有强烈的取向依赖性。

ABSTRACT

TaSb$_{2}$ has been predicted theoretically and proposed through magnetotransport experiment to be a topological semimetal. In earlier reports, the Shubnikov-de Haas oscillation has been analyzed to probe the Fermi surface, with magnetic field along a particular crystallographic axis only. By employing a sample rotator, we reveal highly anisotropic transverse magnetoresistance by rotating the magnetic field along different crystallographic directions. To probe the anisotropy in the Fermi surface, we have performed magnetization measurements and detected strong de Haas-van Alphen (dHvA) oscillations for the magnetic field applied along extbf{b} and extbf{c} axes as well as perpendicular to extbf{bc} plane of the crystals. Three Fermi pockets have been identified by analyzing the dHvA oscillations. Hall measurement reveals electron as the only charge carrier, i.e., all the three Fermi pockets are electron type. With the application of magnetic field along different crystal directions, the cross sectional areas of the Fermi pockets have been found significantly different. Other physical parameters, such as the effective mass of the charge carrier and Fermi velocity have also been calculated using the Lifshitz-Kosevich formula.

研究动机与目标

• 通过量子振荡测量研究TaSb₂中各向异性的费米面，该材料被提出为狄拉克半金属。
• 确定磁阻的方向依赖性，并将其与费米面几何结构关联。
• 通过沿不同晶轴方向的德哈斯-范阿尔芬振荡，识别并表征多个费米口袋。
• 阐明散射时间与有效质量各向异性在解释横向磁阻各向异性中的作用。
• 通过超越以往单轴测量的费米面各向异性解析，为TaSb₂的拓扑性质提供明确证据。

提出的方法

• 在b、c及(c×b)晶轴方向旋转磁场，进行磁化率测量，以探测费米面各向异性。
• 对德哈斯-范阿尔芬（dHvA）振荡进行分析，提取费米面横截面积、有效质量及费米速度。
• 应用Lifshitz-Kosevich公式拟合振荡的热阻尼，提取有效质量与费米速度等物理参数。
• 对dHvA数据进行快速傅里叶变换（FFT），识别出三个对应于三个费米口袋的显著振荡频率。
• 在2 K下测量不同磁场取向下的横向磁阻，以关联各向异性与费米面几何结构。
• 进行霍尔测量，确认所有费米口袋均为电子型载流子。

实验结果

研究问题

• RQ1 TaSb₂的费米面如何随外加磁场方向的变化而变化？
• RQ2 TaSb₂中观察到的横向磁阻大各向异性由何引起？
• RQ3 TaSb₂中是否存在多个费米口袋，其在不同晶轴方向上的横截面积有何差异？
• RQ4 准粒子散射时间在磁阻各向异异中起多大作用？
• RQ5 dHvA振荡能否明确解析TaSb₂的费米面拓扑结构，尤其是在其被提出为狄拉克半金属的背景下？

主要发现

• 通过dHvA振荡识别出三个不同的费米口袋，当磁场沿c轴方向时，振荡频率分别为372 T、417 T和454 T。
• 三个口袋的费米面横截面积相近，分别为35.2、39.3和51.4 ×10⁻² Å⁻²。
• 载流子的有效质量计算为0.31 m₀（对应372 T处的主峰），费米速度为3.9×10⁵ m/s。
• 横向磁阻从9 T和2 K下θ = 75°时的约20,000%降至θ = 165°时的约9,500%，表明存在强烈的各向异性。
• 磁阻各向异性的主要成因是准粒子散射时间的差异，(c×b)方向的散射时间更长，因其费米面横截面积更小。
• 霍尔测量证实所有三个费米口袋均为电子型，支持TaSb₂的电子掺杂特性。