[论文解读] Large linear magnetoresistance and weak anti-localization in Y(Lu)PtBi topological insulators

Chandra Shekhar, Erik Kampert+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 8

一句话总结

本研究调查了高质量单晶Y(Lu)PtBi Heusler化合物中的大尺寸线性磁阻（MR）和弱反局域化（WAL），揭示了低载流子密度和强自旋轨道耦合下的半金属行为。在高达60 T的磁场下观测到未饱和的线性MR，且在50 K以下温度下WAL保持不变，为拓扑表面态提供了有力证据，尽管体相中存在经典迁移率驱动机制，但线性MR的量子起源仍得到支持。

ABSTRACT

Topological insulators are new kind of Dirac materials that possess bulk insulating and surface conducting behavior. They are basically known for their unique electronic properties at the surface. Here we present the magneto-transport properties of our high quality single crystalline Y(Lu)PtBi Heusler topological insulators, which belong to a group of noncentrosymmetric superconductor with Tc = 0:8 K. Both the compounds show semi-metallic behavior with low charge carrier of 6 x1018 cm^-3 for YPtBi and 8 x1019 cm^-3 for LuPtBi at 2 K. Magneto-conductivity measurements in the tilted field indicate that the charge carriers transport through quantum interference. This provide a direct evidence of weak anti-localization below 50 K, giving a strong signature of surface transport. Most importantly, these compounds show very high unsaturated linear magnetoresistance of approximately 2000% at 10 K in a magnetic field of 60 T.

研究动机与目标

• 研究高质量单晶Y(Lu)PtBi Heusler化合物作为拓扑绝缘体的磁电输运性质。
• 确定这些材料中观测到的大尺寸未饱和线性磁阻（MR）的起源。
• 识别弱反局域化（WAL）在确认拓扑表面态输运中的作用。
• 区分非磁性拓扑绝缘体中线性MR的量子与经典起源。
• 评估低载流子密度半金属拓扑绝缘体中体相与表面输运的相互作用。

提出的方法

• 采用Bi作为助熔剂，通过熔盐法生长Y(Lu)PtBi单晶，使用化学计量比，并在氩气气氛下密封于石英安瓿中。
• 利用劳厄X射线衍射和能谱分析（EDS）确认晶体结构和成分，测得晶格常数分别为6.651 Å（YPtBi）和6.574 Å（LuPtBi）。
• 在0.3 K至300 K温度范围内，使用锁相技术在Quantum Design PPMS系统中进行四探针电阻率和五探针霍尔测量。
• 在倾斜磁场下测量磁电导率，以探测量子干涉效应并提取WAL参数。
• 理论分析采用WAL模型，形式为Δσ = −(e²/h) × (1/π) × ln(1 + B/B₀)，其中B₀为特征磁场尺度。
• 利用经典迁移率模型分析线性MR，并与基于线性狄拉克色散和零带隙半金属行为的量子MR预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 Y(Lu)PtBi拓扑绝缘体中观测到的大尺寸未饱和线性磁阻的起源是什么？
• RQ2 这些材料中的弱反局域化（WAL）在多大程度上证实了拓扑表面态的存在？
• RQ3 在这些半金属Heusler化合物中，体相与表面输运贡献如何相互作用？
• RQ4 Y(Lu)PtBi中的线性MR主要是由拓扑表面态的量子效应引起，还是由经典迁移率效应引起？
• RQ5 为何磁阻在高达60 T的磁场下仍保持线性和未饱和，且在50 K以下几乎与温度无关？

主要发现

• YPtBi和LuPtBi在2 K时表现出半金属行为，载流子浓度分别为6 × 10¹⁸ cm⁻³和8 × 10¹⁹ cm⁻³。
• 在50 K以下观测到弱反局域化（WAL），表明存在量子干涉效应，且电子通过拓扑表面态输运。
• 在60 T磁场下，200 K时磁阻达到约2000%，表现出强烈的未饱和性和线性特征。
• 线性MR在50 K以下几乎与温度无关，支持其具有量子起源，与线性狄拉克色散和零带隙半金属行为一致。
• WAL参数k₂从2 K时的0.5增加到50 K时的1.0，表明从二维表面局域化向三维体相局域化效应的过渡。
• 尽管存在经典迁移率驱动机制，但低载流子密度、线性色散关系以及拓扑表面态的共同作用强烈表明线性MR具有量子起源。