[论文解读] Impurity dependent superconductivity, Berry phase and bulk Fermi surface of the Weyl type-II semi-metal candidate MoTe2

Daniel Rhodes, Qiong Zhou+10 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究调查了高质量单晶β-MoTe₂中的超导性、贝里相位及费米面拓扑结构，揭示了与杂质无序度相关的超导转变温度以及从舒布尼克ov-de Haas振荡中获得的≈π的非平庸贝里相位。实验提取的费米面几何结构与理论预测显著偏离，表明在100 K以下存在结构与电子结构的演化。

ABSTRACT

Orthorhombic MoTe$_2$ and its isostructural compound WTe$_2$ were recently claimed to belong to a new class (type II) of Weyl semi-metals characterized by a linear touching between hole and electron Fermi surfaces in addition to nodal lines. To validate these predictions, we synthesized high quality single-crystals of $\beta$-MoTe$_2$, finding that its superconducting transition temperature depends on disorder as quantified by the ratio between the room- and low-temperature resistivities. Similar to WTe$_2$, its magnetoresistivity does not saturate at high magnetic fields and can easily surpass $10^{6}$ %, with the superimposed Shubnikov de Haas oscillations revealing a non-trivial Berry phase of $\simeq \pi$. The geometry of the Fermi surface, as extracted from the quantum oscillations, is markedly distinct from the calculated one. A broad anomaly seen in the heat capacity and in the Hall-effect indicates that the crystallographic and the electronic structures evolve upon cooling below 100 K, likely explaining the discrepancy between these recent predictions and our experimental observations.

研究动机与目标

• 验证近期理论预测，即β-MoTe₂是一种II类外尔半金属，其电子与空穴费米面呈线性接触。
• 研究杂质无序度对高质量单晶β-MoTe₂中超导转变温度的影响。
• 通过量子振荡探测电子结构，提取费米面几何结构与贝里相位。
• 检查100 K以下比热与霍尔效应中的异常现象，以理解实验与理论之间的差异。

提出的方法

• 通过合成高质量单晶β-MoTe₂以最小化外部杂质无序的影响。
• 在室温和低温下测量电阻率，通过ρ293/ρ4.2比值量化杂质无序度。
• 在高达30 T的强磁场下测量磁阻，观察到超过10⁶%的非饱和行为。
• 分析舒布尼克ov-de Haas振荡，以提取贝里相位与费米面拓扑结构。
• 在100 K以下测量比热与霍尔效应，以探测结构或电子相变。
• 将实验获得的费米面几何结构与从头算计算结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过室温与低温电阻率比值（ρ293/ρ4.2）量化杂质无序度，影响β-MoTe₂中的超导转变温度？
• RQ2 β-MoTe₂中的贝里相位值是多少，其对电子结构的拓扑性质有何含义？
• RQ3 实验测定的β-MoTe₂费米面几何结构与理论预测相比如何？
• RQ4 100 K以下观察到的比热与霍尔效应异常由何引起，其对电子性质有何影响？
• RQ5 为何β-MoTe₂的预测费米面拓扑结构与实验观测结果存在显著差异？

主要发现

• β-MoTe₂的超导转变温度强烈依赖于杂质无序度，由ρ293/ρ4.2电阻率比值所指示。
• 在高磁场下磁阻超过10⁶%，表明存在强电子关联效应与非饱和行为。
• 舒布尼克ov-de Haas振荡揭示了约π的非平庸贝里相位，与非平庸拓扑态一致。
• 实验提取的费米面几何结构与从头算计算结果显著不同，表明其偏离了预测的II类外尔半金属行为。
• 100 K以下比热与霍尔效应中出现的宽峰异常表明存在结构或电子相变，很可能是导致观测差异的原因。
• 100 K以下晶体结构与电子结构的演化可能解释了理论模型无法准确描述β-MoTe₂费米面的原因。