[论文解读] Fermi surface topology and negative magnetoresistance observed in centrosymmetric NbAs2 semimetal

Bing Shen, Xiaoyu Deng+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究调查了中心对称 NbAs2 的电子结构和输运性质，发现在 9 T 和 1.8 K 条件下，其横向磁阻高达 8000 且不饱和，这是由于电子-空穴补偿所致。通过角度依赖的 Shubnikov-de Haas 振荡和第一性原理计算，识别出四个费米口袋，尽管在量子振荡中未检测到 gamma 费米口袋，且负纵向磁阻表明可能存在拓扑态，需进一步研究。

ABSTRACT

We report transverse and longitudinal magneto-transport properties of NbAs2 single crystals. Attributing to the electron-hole compensation, non-saturating large transverse magnetoresistance reaches up to 8000 at 9 T at 1.8 K with mobility around 1 to 2 m^2V^-1S^-1. We present a thorough study of angular-dependent Shubnikov-de Haas (SdH) quantum oscillations of NbAs2. Three distinct oscillation frequencies are identified. First-principles calculations reveal four types of Fermi pockets: electron alpha pocket, hole beta pocket, hole gamma pocket and small electron delta pocket. Although the angular dependence of alpha, beta and delta agree well with the SdH data, it is unclear why the gamma pocket is missing in SdH. Negative longitudinal magnetoresistance is observed which may be linked to novel topological states in this material, although systematic study is necessary to ascertain its origin.

研究动机与目标

• 通过量子振荡测量研究中心对称 NbAs2 的费米面拓扑结构。
• 通过第一性原理计算识别并表征 NbAs2 的电子结构。
• 理解 NbAs2 中大而不饱和的横向磁阻的起源。
• 探讨负纵向磁阻的出现及其与拓扑态的潜在关联。
• 解决量子振荡中观测到的费米口袋与计算预测之间的差异。

提出的方法

• 在低温下对高质量 NbAs2 单晶进行了横向和纵向磁电输运测量。
• 通过分析角度依赖的 Shubnikov-de Haas（SdH）振荡，提取费米面参数和口袋形状。
• 利用第一性原理电子结构计算预测费米面拓扑结构，并验证实验结果。
• 根据测得的输运数据估算迁移率，其值约为 1–2 m²V⁻¹s⁻¹。
• 将 SdH 振荡的角度依赖性与理论费米面模型进行比较，以分配观测到的振荡频率。
• 对纵向磁阻进行了系统性分析，以评估其与拓扑态的潜在关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 NbAs2 的完整费米面拓扑结构是什么？其电子口袋如何贡献于输运性质？
• RQ2 为何计算预测的 gamma 费米口袋在角度依赖的 SdH 振荡中未被观测到？
• RQ3 是什么导致 NbAs2 中在 9 T 和 1.8 K 条件下出现超过 8000 的非饱和横向磁阻？
• RQ4 观测到的负纵向磁阻的起源是什么？
• RQ5 负磁阻是否可能是中心对称 NbAs2 中新型拓扑态的特征？

主要发现

• 在 9 T 和 1.8 K 条件下，观测到高达 8000 的非饱和横向磁阻，归因于电子-空穴补偿。
• 识别出三个不同的 SdH 振荡频率，分别对应标记为 alpha、beta 和 delta 的费米口袋。
• 第一性原理计算揭示了四个费米口袋：电子型 alpha、空穴型 beta、空穴型 gamma 和小的电子型 delta。
• alpha、beta 和 delta 费米口袋的角度依赖性与 SdH 数据吻合良好，但 gamma 费米口袋在振荡中未被检测到。
• 观测到负纵向磁阻，表明可能存在拓扑态的贡献，但其起源尚未确认。
• SdH 振荡中缺失的 gamma 费米口袋与计算中存在这一现象之间的差异仍未得到解释。