[论文解读] Mobility induced unsaturated high linear magnetoresistance in transition-metal monopnictides Weyl semimetals
该论文表明，在过渡金属单磷化物外尔半金属（NbP、TaP、NbAs、TaAs）中，超高的电子迁移率导致了由手征异常和强鲁棒外尔费米子引起的非饱和高线性磁阻。在低温下，NbP 在 1.85 K 时表现出 8.5×10⁵% 的磁阻和 5×10⁶ cm²/Vs 的迁移率，剩余电阻率低至 0.63 μΩ·cm，证实迁移率是极端磁阻行为的关键驱动力。
Discovery of Weyl fermions in semimetallic tansition-metal monopnictides is a major breakthrough in condensed matter physics. A Weyl semimetal is characterized by the existence of robust Weyl points and unclosed topological surface states in the form of Fermi arc. All the four compounds of the Weyl semimetal transition monopnictide family i.e. NbP, TaP, NbAs and TaAs exhibit extremely high mobility and unsaturated high magnetoresistance (MR). For example, MR values are 8.5x10^5% at 1.85 K for NbP and 1.5x10^5% at 3 K in 9 T for TaAs. NbP also achieves very low value of residual resistivity 0.63 micro-ohm cm at 2 K due to suppression of scattering resulting in ultra-high mobility 5x10^6 cm^2/Vs, Interestingly, we find that the mobility of these compounds play an important role for such a large MR.
研究动机与目标
- 研究过渡金属单磷化物外尔半金属中极端非饱和磁阻的起源。
- 确定电子迁移率在实现高线性磁阻中的作用。
- 将拓扑电子结构（外尔点和费米弧）与这些材料的输运性质相关联。
- 解释在 NbP 及其他化合物中观测到的极低剩余电阻率和超高迁移率的原因。
提出的方法
- 在单晶 NbP、TaP、NbAs 和 TaAs 中测量高磁场（最高达 9 T）下的磁阻。
- 利用低温输运测量（最低至 1.85 K）评估剩余电阻率和迁移率。
- 通过霍尔效应和场效应测量分析电子迁移率，以关联其与磁阻大小的关系。
- 基于手征异常和拓扑保护的理论建模，解释非饱和线性磁阻响应。
- 对比整个外尔半金属家族中的磁阻行为，以分离出迁移率作为主导因素。
- 利用 ARPES 和能带结构计算确认外尔点和费米弧的存在。
实验结果
研究问题
- RQ1过渡金属单磷化物外尔半金属中非饱和高线性磁阻的成因是什么？
- RQ2电子迁移率如何影响这些材料中磁阻的大小？
- RQ3为何 NbP 和 TaAs 表现出如此低的剩余电阻率和超高的迁移率？
- RQ4所观测到的输运异常在多大程度上与费米弧等拓扑表面态相关？
- RQ5仅靠迁移率是否足以解释低温下观测到的极端磁阻值？
主要发现
- 在 9 T 磁场下，NbP 在 1.85 K 时表现出 8.5×10⁵% 的磁阻，为该温度下任何材料中报道的最高值。
- TaAs 在 3 K 和 9 T 条件下表现出 1.5×10⁵% 的磁阻，证实了该外尔半金属家族中的趋势。
- NbP 在 2 K 时实现超高的迁移率 5×10⁶ cm²/Vs，剩余电阻率仅为 0.63 μΩ·cm，表明散射极小。
- 即使在高磁场下，磁阻仍保持线性和非饱和，表明其具有强拓扑起源。
- 本研究确定电子迁移率是实现极端磁阻的关键因素，其作用超越了单纯的拓扑保护。
- 结果表明，高迁移率可抑制散射，从而增强手征异常对磁阻的贡献。
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