[论文解读] Anomalous magnetoresistance in TaAs$_2$

Yongkang Luo, R. McDonald+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究报告了在缺乏狄拉克或外尔费米子的情况下，半金属 TaAs₂ 中出现的巨大负磁阻（在 3 T 和低温下为 −98%）。通过密度泛函理论，作者将 TaAs₂ 确认为一种具有非平庸 Z₂ 不变量 (0;111) 的新型拓扑半金属，表明非磁性半金属中的负磁阻不能唯一归因于阿德勒-贝尔-贾基沃异常。

ABSTRACT

The resistance of a metal in a magnetic field can be very illuminating about its ground state. Some famous examples include the integer and fractional quantum Hall effects\cite{Klitzing-QHE,Tsui-FQHE}, Shubnikov-de Haas oscillations\cite{SdH}, and weak localization\cite{Lee-WL} \emph{et al}. In non-interacting metals the resistance typically increases upon the application of a magnetic field\cite{Pippard-MR}. In contrast, in some special circumstances metals, with anisotropic Fermi surfaces\cite{Kikugawa-PdCoO2LMR} or a so-called Weyl semimetal for instance\cite{Nielsen-ABJ,Son-ChirAnom}, may have negative magnetoresistance. Here we show that semimetallic TaAs$_2$ possesses a gigantic negative magnetoresistance ($-$98\% in a field of 3 T at low temperatures), with an unknown mechanism. Density functional calculations illustrate that TaAs$_2$ is a new topological semimetal [$\mathbb{Z}_2$ invariant (0;111)] without a Dirac dispersion. This demonstrates that the presence of negative magnetoresistance in non-magnetic semimetals cannot be uniquely attributed to the Adler-Bell-Jackiw anomaly of bulk Dirac/Weyl fermions. Our results also imply that the OsGe$_2$-type monoclinic dipnictides are likely a material basis where unconventional topological semimetals may be found.

研究动机与目标

• 研究非磁性半金属 TaAs₂ 中巨大负磁阻的起源。
• 确定所观察到的负磁阻是否源于与外尔费米子相关的阿德勒-贝尔-贾基沃异常。
• 使用从头算计算对 TaAs₂ 的电子结构进行分类，并确定其拓扑性质。
• 探索 OsGe₂ 型单斜双 pnictides 作为非传统拓扑半金属宿主的潜力。

提出的方法

• 在不同磁场和温度条件下进行输运测量，以测量 TaAs₂ 中的磁阻。
• 使用密度泛函理论（DFT）计算以确定其电子能带结构和拓扑不变量。
• 计算 Z₂ 不变量 (0;111)，以将 TaAs₂ 分类为拓扑半金属。
• 分析费米面拓扑和电子色散，以排除狄拉克或外尔节点的存在。
• 将所观察到的磁阻行为与弱局域化和手征异常效应的理论模型进行比较。
• 通过群论分析评估晶体结构在承载拓扑态中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏狄拉克或外尔费米子的情况下，TaAs₂ 中的巨大负磁阻的成因是什么？
• RQ2 TaAs₂ 中观察到的负磁阻是否与阿德勒-贝尔-贾基沃异常一致？
• RQ3 根据其 Z₂ 不变量和能带结构，TaAs₂ 的拓扑性质是什么？
• RQ4 非外尔、非狄拉克的半金属是否能表现出大的负磁阻？
• RQ5 OsGe₂ 型单斜双 pnictides 是否是一类有前景的非传统拓扑半金属宿主？

主要发现

• TaAs₂ 在 3 T 和低温下表现出高达 −98% 的巨大负磁阻，表明强场诱导的散射被显著抑制。
• 密度泛函理论计算证实，尽管缺乏狄拉克或外尔节点，TaAs₂ 仍是一种具有非平庸 Z₂ 不变量 (0;111) 的拓扑半金属。
• 该负磁阻无法通过阿德勒-贝尔-贾基沃异常解释，因为该体系缺乏体相手征费米子。
• 巨大负磁阻背后的机制尚不明确，表明存在超越手征异常的新物理机制。
• OsGe₂ 型单斜双 pnictides 家族被确定为发现非传统拓扑半金属的有前途平台。
• 结果表明，具有奇异输运响应的拓扑半金属可独立于外尔或狄拉克费米子行为存在。