[论文解读] Magnetoresistance in 3D Weyl Semimetals

Navneeth Ramakrishnan, Mirco Milletarì+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本文通过RPA-Boltzmann输运理论与有效介质平均方法，理论研究了3D外尔半金属中的磁阻效应，建模了电子在带电杂质处的散射。该理论预测在高磁场下磁阻由二次方关系向线性关系转变，磁阻超过10，与近期关于TlBiSSe的实验结果定量一致。

ABSTRACT

We theoretically investigate the transport and magnetotransport properties of three-dimensional Weyl semimetals. Using the RPA-Boltzmann transport scattering theory for electrons scattering off randomly distributed charged impurities, together with an effective medium theory to average over the resulting spatially inhomogeneous carrier density, we smoothly connect our results for the minimum conductivity near the Weyl point with known results for the conductivity at high carrier density. In the presence of a non-quantizing magnetic field, we predict that for both high and low carrier densities, Weyl semimetals show a transition from quadratic magnetoresistance (MR) at low magnetic fields to linear MR at high magnetic fields, and that the magnitude of the $MR \gtrsim 10$ for realistic parameters. Our results are in qualitative agreement with recent unexpected experimental observations on the mixed-chalcogenide compound TlBiSSe.

研究动机与目标

• 理解在Weyl点附近3D外尔半金属的输运与磁输运性质。
• 通过统一的理论框架弥合低载流子密度下的最小电导率与高密度电导率之间的差距。
• 解释如TlBiSSe等外尔半金属中实验观测到的大尺寸、非饱和磁阻现象。
• 建模带电杂质对载流子非均匀性的影响及其对磁输运的影响。

提出的方法

• 采用RPA-Boltzmann输运理论描述电子在随机分布的带电杂质处的散射。
• 应用有效介质理论对由杂质散射引起的空间非均匀载流子密度进行平均。
• 计算不同载流子密度下（从低到高）的电导率与磁阻。
• 分析磁阻随磁场的变化关系，识别二次方与线性磁阻区之间的转变。
• 使用真实的材料参数评估非量子化磁场下磁阻的大小。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低载流子密度与高载流子密度下，3D外尔半金属的磁阻如何随磁场增加而演化？
• RQ2 TlBiSSe中观测到的大尺寸磁阻的起源是什么？是否可由杂质散射解释？
• RQ3 由于带电杂质引起的载流子非均匀性如何影响Weyl点附近的输运性质？
• RQ4 是否能从理论上预测磁阻从二次方到线性的转变，并将其与已知的电导率区域联系起来？

主要发现

• 该理论通过有效介质平均方法成功将Weyl点附近的最小电导率与高密度电导率联系起来。
• 无论载流子密度如何，理论预测在高磁场下磁阻由二次方关系向线性关系转变。
• 在真实材料参数下，磁阻超过10，与实验观测结果一致。
• 结果定量解释了TlBiSSe中观测到的出乎意料的大尺寸、非饱和磁阻现象。