[论文解读] Induced anomalous Hall effect of massive Dirac fermions in ZrTe5 and HfTe5 thin flakes

Yanzhao Liu, Huichao Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 7被引用 4

一句话总结

本研究证明，在非磁性ZrTe5和HfTe5薄膜薄片中，高磁场下出现的反常霍尔效应（AHE）源于无外尔点的重质量狄拉克能带分裂。AHE在超过10 T时分别在55和70 ohm⁻¹·cm⁻¹处饱和，贝里曲率计算证实其为弱拓扑绝缘体态，为拓扑材料中能带拓扑结构提供了一种新探测手段。

ABSTRACT

Researches on anomalous Hall effect (AHE) have been lasting for a century to make clear the underlying physical mechanism. Generally, the AHE appears in magnetic materials, in which extrinsic process related to scattering effects and intrinsic contribution connected with Berry curvature are crucial. Recently, AHE has been counterintuitively observed in non-magnetic topological materials and attributed to the existence of Weyl points. However, the Weyl point scenario would lead to unsaturated AHE even in large magnetic fields and contradicts the saturation of AHE in several tesla (T) in experiments. In this work, we investigate the Hall effect of ZrTe5 and HfTe5 thin flakes in static ultrahigh magnetic fields up to 33 T. We find the AHE saturates to 55 (70) Ohm^-1*cm^-1 for ZrTe5 (HfTe5) thin flakes above ~ 10 T. Combining detailed magnetotransport experiments and Berry curvature calculations, we clarify that the splitting of massive Dirac bands without Weyl points can be responsible for AHE in non-magnetic topological materials ZrTe5 and HfTe5 thin flakes. This model can identify our thin flake samples to be weak topological insulators and serve as a new tool to probe the band structure topology in topological materials.

研究动机与目标

• 解决实验中观测到的AHE饱和现象与基于外尔点模型的理论预测之间的矛盾，这些理论预测针对非磁性拓扑材料。
• 研究在超高磁场（高达33 T）下ZrTe5和HfTe5薄膜薄片中反常霍尔效应的起源。
• 确定具有能带分裂的重质量狄拉克费米子是否足以解释观测到的AHE，而无需依赖外尔点。
• 建立一种利用AHE响应探测拓扑材料中能带结构拓扑的新方法。
• 通过磁输运与贝里曲率分析相结合，阐明ZrTe5和HfTe5薄膜薄片的拓扑本质。

提出的方法

• 在高达33 T的静态超高磁场下，对机械剥离的ZrTe5和HfTe5薄膜薄片进行了磁输运测量。
• 进行了详细的霍尔电阻率和纵向电阻率测量，以提取反常霍尔电导率。
• 通过第一性原理电子结构计算，计算贝里曲率，以建立能带拓扑与AHE响应之间的联系。
• 分析能带结构，识别出打破反演对称性的自旋分裂重质量狄拉克费米子。
• 利用高场下AHE在超过10 T时的饱和行为作为关键约束，排除基于外尔点的机制。
• 将实验观测到的AHE幅值与理论计算的贝里曲率相关联，以确认该效应的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 非磁性ZrTe5和HfTe5薄膜薄片中的反常霍尔效应是否可以在不引入外尔点的前提下得到解释？
• RQ2 这些材料中反常霍尔效应在高磁场下（约10 T）的观测饱和行为的起源是什么？
• RQ3 在无本征磁性的条件下，重质量狄拉克能带的分裂如何贡献于反常霍尔效应？
• RQ4 反常霍尔效应在多大程度上可作为探测这些材料中能带结构拓扑性质的探针？
• RQ5 观测到的AHE是否与ZrTe5和HfTe5中的弱拓扑绝缘体相一致？

主要发现

• ZrTe5和HfTe5薄膜薄片中的反常霍尔效应分别在55和70 ohm⁻¹·cm⁻¹处于超过10 T的磁场下趋于饱和，表明存在一种稳健且与磁场无关的贡献。
• 该饱和行为与外尔点模型的预测相矛盾，后者预测即使在高场下AHE也应持续增加。
• 贝里曲率计算表明，无外尔点的重质量狄拉克能带分裂可产生显著的内在AHE贡献。
• 观测到的AHE归因于由自旋分裂重质量狄拉克费米子产生的非平庸贝里曲率驱动的内在机制。
• 研究结果将ZrTe5和HfTe5薄膜薄片识别为弱拓扑绝缘体，且AHE可作为其能带拓扑的直接探测工具。
• 本研究建立了一种新方法，可利用霍尔效应独立于磁序探测非磁性材料中的拓扑能带结构。