[论文解读] Identifying the Dirac point composition in Bi1-xSbx alloys using the temperature dependence of quantum oscillations

Joon Sang Kang, Dung Vu+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 14被引用 5

一句话总结

本研究提出一种温度依赖的量子振荡分析方法，实验确定Bi1-xSbx合金中狄拉克点组分（xc）的位置。通过测量Shubnikov-de Haas振荡频率F(x,T)随温度的变化，证明dF/dT < 0 表明L点为狄拉克型能带，而dF/dT > 0 表明为平凡抛物型能带，从而提供一种直接实验方法，精确定位xc ≈ 5±1 at.%。

ABSTRACT

The thermal chiral anomaly is a new mechanism for thermal transport that occurs in Weyl semimetals (WSM). It is attributed to the generation and annihilation of energy at Weyl points of opposite chirality. The effect was observed in the Bi1-xSbx alloy system, at x=11% and 15%, which are topological insulators at zero field and driven into an ideal WSM phase by an external field. Given that the experimental uncertainty on x is of the order of 1%, any systematic study of the effect over a wider range of x requires precise knowledge of the transition composition xc at which the electronic bands at the L-point in these alloys have Dirac-like dispersions. At x>xc, the L-point bands are inverted and become topologically non-trivial. In the presence of a magnetic field along the trigonal direction, these alloys become WSMs. This paper describes how the temperature dependence of the frequency of the Shubnikov-de Haas oscillations F(x,T) at temperatures of the order of the cyclotron energy can be used to find xc and characterize the topology of the electronic Fermi surface. Alloys with topologically trivial bands have dF(x,T)/dT>0, those with Dirac/Weyl fermions display dF(x,T)/dT<0.

研究动机与目标

• 确定Bi1-xSbx中L点能带转变为狄拉克型的精确组分xc。
• 解决x（±1%）的实验不确定性，该不确定性阻碍了对热手性异常的系统研究。
• 开发一种可靠、原位的方法，用于识别同一材料体系中拓扑能带结构的演化。
• 验证理论预测：狄拉克/外尔费米子在量子振荡中表现出dF/dT < 0。

提出的方法

• 在2–20 K温度范围内，测量x = 2.1–7.2 at.%的Bi1-xSbx合金中温度依赖的Shubnikov-de Haas（SdH）振荡。
• 对振荡的磁阻数据进行傅里叶变换，提取每个x和T下的振荡频率F(x,T)。
• 分析温度导数dF(x,T)/dT，以区分平凡抛物型能带（dF/dT > 0）与狄拉克型能带（dF/dT < 0）。
• 利用T点空穴能带参数（mT,z = 0.67me, mT,x = 0.064me）计算空穴浓度，排除T能带的贡献。
• 将提取的费米面截面与霍尔测量结果对比，确认振荡来源于L点电子。
• 对SdH振荡进行洛伦兹拟合，以确定频率不确定度和误差棒。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种组分xc下，Bi1-xSbx合金中的L点能带从平凡相转变为狄拉克型？
• RQ2 量子振荡频率F(x,T)的温度依赖性能否用于区分平凡与狄拉克型能带色散？
• RQ3 dF/dT < 0 是否可作为拓扑半金属中狄拉克费米子的可靠实验特征信号？
• RQ4 F(x,T)的温度演化如何与外尔半金属相中热手性异常的 onset 相关联？
• RQ5 该方法能否解决Bi1-xSbx合金中的组分不确定性，从而实现对拓扑输运效应的系统研究？

主要发现

• 对于具有狄拉克型L点能带的合金，实验确认dF/dT < 0，验证了理论预测。
• 在x = 4.1 at.%时，振荡在高达20 K时仍保持清晰，表明量子相干性较强。
• 2.1%和3.3%样品显示dF/dT > 0，证实其为平凡抛物型能带特性。
• 5.3%样品表现出模糊行为，可能由于EQL或电流喷射效应。
• 7.2%样品中振荡完全消失，与拓扑绝缘体相一致。
• 该方法提供了一种直接、原位的诊断工具，可识别Bi1-xSbx合金中xc ≈ 5±1 at.%。