[论文解读] Intervalley Tunneling and Crossover from the Positive to Negative Interlayer Magnetoresistance in Quasi-Two-Dimensional Dirac Fermion System with or without Mass Gap

Takao Morinari|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2021

Organic and Molecular Conductors Research参考文献 17被引用 3

一句话总结

该论文提出，通过中间碘层的谷间隧穿可在准二维狄拉克费米子系统（如高压下的α-(BEDT-TTF)2I3）中诱导正层间磁阻，即使费米能级位于狄拉克点时亦然。由零能 Landau 能级驱动的正磁阻到负磁阻的转变——作为区分无质量与有质量狄拉克费米子的特征标志——其零温转变场可提取费米速度与散射率之比。

ABSTRACT

We theoretically investigate the interlayer magnetoresistance in quasi-two-dimensional Dirac fermion systems, where the Fermi energy is at the Dirac point. If there is an intermediate insulating layer that has an overlap with the wave functions in the Dirac fermion layers, there appears a positive magnetoresistance regime due to the intervalley tunneling. We show that the interlayer magnetoresistance can be used to find whether Dirac fermions are massive or not from the minimum in the interlayer magnetoresistance. As a specific system, we consider \alphaI under high pressure. We also discuss that one has to be careful in analyzing the crossover temperature from the positive to negative magnetoresistance. A simple picture is applied to the crossover in the zero temperature limit but it does not apply to the data at finite temperatures. We show that the ratio of the Fermi velocity to the scattering rate is evaluated from the zero temperature limit of the crossover temperature.

研究动机与目标

• 解释高压下α-(BEDT-TTF)2I3中实验观测到的层间磁阻从正到负的转变现象。
• 阐明通过碘层的谷间隧穿在产生正磁阻中的作用。
• 建立层间磁阻作为区分无质量与有质量狄拉克费米子的探测手段。
• 推导从磁阻数据中提取费米速度与散射率之比的方法。

提出的方法

• 利用二次微扰理论，构建包含通过碘层实现谷间跃迁的层间有效隧穿哈密顿量。
• 使用包含 Landau 能级波函数的 Kubo 公式，推导磁场下的层间电导率公式。
• 在 Landau 能级能谱与波函数形式中同时纳入无质量与有质量狄拉克费米子谱。
• 利用不同 Landau 能级之间的谷间隧穿矩阵元计算电导率。
• 分析正负磁阻区域之间转变的零温转变场。
• 引入谱展宽与费米-狄拉克统计以模拟有限温度效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压下α-(BEDT-TTF)2I3中，负磁阻出现前初始正磁阻的机制是什么？
• RQ2 通过碘层的谷间隧穿如何影响狄拉克费米子系统中的层间磁阻？
• RQ3 层间磁阻能否用于区分无质量与有质量狄拉克费米子？
• RQ4 正磁阻到负磁阻转变场的物理起源是什么？
• RQ5 如何从实验磁阻数据中提取费米速度与散射率之比？

主要发现

• 通过碘层的谷间隧穿在弱磁场下诱导出正磁阻区域，与零能 Landau 能级预期的负磁阻相反。
• 正磁阻到负磁阻的转变场取决于能隙的存在与否，从而可识别狄拉克费米子能谱。
• 零温极限下转变场与费米速度和散射率之比直接相关，为准粒子动力学提供了定量探测手段。
• 该模型解释了高压下α-(BEDT-TTF)2I3中低场正磁阻与高场负磁阻的实验观测。
• 有限温度效应使简单零温转变模型失效，需对转变场进行更精细的分析。
• 层间电导率公式同时考虑了同谷与谷间隧穿，其矩阵元由包含能隙效应的 Landau 能级波函数导出。