[论文解读] Butterfly Magnetoresistance, Quasi-2D Dirac Fermi Surfaces, and a Topological Phase Transition in ZrSiS

Mazhar N. Ali, Leslie M. Schoop+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 16

一句话总结

本研究报道了在具有准二维狄拉克费米子表面的狄拉克半金属ZrSiS中，由角度依赖的拓扑相变驱动的新型蝴蝶形角度磁阻效应。该相变表现为贝里相位从π突变为平凡值（约80°），尽管存在三维口袋态的贡献，该相变仍具有鲁棒性，并在接近90°时表现出明显的磁阻谷值，揭示了二维-三维狄拉克杂化系统中一类新的拓扑输运现象。

ABSTRACT

Magnetoresistance (MR), the change of a material's electrical resistance in response to an applied magnetic field, is a technologically important property that has been the topic of intense study for more than a quarter century. Here we report the observation of an unusual "butterfly" shaped titanic angular magnetoresistance (AMR) in the non-magnetic, Dirac material, ZrSiS. The MR is large and positive, reaching nearly 1.8 x 10^5 percent at 9 T and 2 K at an angle of 45o between the applied current (along the a-axis) and the applied field (90o is H parallel to the c-axis). Approaching 90o, a "dip" is seen in the AMR which can be traced to an angle dependent deviation from the H^2 law. By analyzing the SdH oscillations at different angles, we find that ZrSiS has a combination of 2D and 3D Dirac pockets comprising its Fermi surface and that the anomalous transport behavior coincides with a topological phase transition whose robust signature is evident despite transport contributions from other parts of the Fermi surface. We also find that as a function of angle, the temperature dependent resistivity in high field displays a broad peak-like behavior, unlike any known Dirac/Weyl material. The combination of very high mobility carriers and multiple Fermi surfaces in ZrSiS allow for large bulk property changes to occur as a function of angle between applied fields makes it a promising platform to study the physics stemming from the coexistence of 2D and 3D Dirac electrons.

研究动机与目标

• 研究非磁性狄拉克半金属ZrSiS中非典型角度磁阻的起源，其具有准二维费米面。
• 确定观测到的蝴蝶形磁阻是否源于与费米面几何相关的拓扑相变。
• 通过角度依赖输运与量子振荡测量，解析ZrSiS中二维与三维狄拉克口袋的相互作用。
• 识别贝里相位演化在不同磁场取向下作为拓扑转变信号的作用。
• 理解在高场下电阻率随温度和角度变化时出现的宽峰状特征的起源，该特征在其他狄拉克/外尔材料中均未观察到。

提出的方法

• 在电流沿a轴、磁场从c轴方向倾斜至电流方向（0°至90°）的条件下，执行角度磁阻（AMR）测量。
• 在多个角度下进行SdH振荡分析，以识别极值轨道并提取费米面拓扑结构与贝里相位。
• 将振荡数据拟合至Lifshitz-Kosevich公式，以提取相移δ与贝里相位γ，利用关系式|γ - δ| = |1/2 - φ_B/(2π) - δ|。
• 采用1/cos(θ)拟合评估费米面口袋的二维/三维特性，与理想1/cos(θ)的偏离表明三维特征。
• 使用wien2k软件包结合FP-LAPW + lo基组与PBE-GGA泛函进行DFT计算，以模拟电子结构与费米面拓扑。
• 在机械剥离至70 µm厚的单晶上，采用四探针与交流锁相技术进行高精度输运测量，以最大限度降低噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 ZrSiS中蝴蝶形角度磁阻的成因是什么？其与典型三维费米面响应有何不同？
• RQ2 在接近90°时观测到的磁阻谷值是否对应于场依赖性从H²到线性-H²混合行为的转变？
• RQ3 当磁场取向变化时，ZrSiS中是否存在拓扑相变的证据？其如何通过贝里相位体现？
• RQ4 为何ZrSiS在高场下表现出温度依赖电阻率中的宽峰状特征，而其他狄拉克/外尔材料中未见此现象？
• RQ5 ZrSiS中二维与三维狄拉克口袋的共存如何影响输运与量子振荡的角度依赖性？

主要发现

• 观测到蝴蝶形角度磁阻，其在9 T与2 K下磁阻峰值接近1.8 × 10⁵%，在电流（a轴）与磁场夹角为45°时达到最大值。
• 在85°至90°之间出现明显的磁阻谷值，与场依赖性从二次方到线性分量叠加于H²的转变相吻合。
• 243 T的SdH振荡峰表现出1/cos(θ)的角度依赖关系，表明其为准二维费米面，a = 0.81，偏离理想二维行为。
• 23 T的SdH峰无角度位移，证实其为三维且高度各向同性的费米面轨道。
• 在85°至95°范围内，243 T轨道表现出π的贝里相位，|γ - δ| ≈ 0，表明具有非平庸拓扑。
• 在80°时，|γ - δ|突然增加至0.32，表明拓扑性质发生突变，从非平庸转变为平凡，该结果通过去卷积振荡中可见的相位跃迁得到证实。