[论文解读] Observation of Chiral character deep in the topological insulating regime in Bi$_{1-x}$Sb$_x$

Amit, Radha Krishna Gopal+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究报告在铋锑合金（Bi$_{1-x}$Sb$_x$）样品中意外观测到手征异常——表现为强烈角度依赖的负纵向磁阻（LMR）和非线性 I–V 特性，覆盖整个拓扑绝缘体（TI）相区（x = 0.032–0.16），包括远离拓扑相变点（x ≈ 0.03）的 x = 0.16 处。结果表明，场致手征性半金属（WSM）态在拓扑绝缘体相区深处依然存在，挑战了该体系能带结构演化传统的理解。

ABSTRACT

Bi$_{1-x}$Sb$_x$ is a topological insulator (TI) for $x \approx 0.03 $--$0.20$. Close to the Topological phase transition at $x = 0.03$, a magnetic field induced Weyl semi-metal (WSM) state is stabilized due to the splitting of the Dirac cone into two Weyl cones of opposite chirality. A signature of the Weyl state is the observation of a Chiral anomaly [negative longitudnal magnetoresistance (LMR)] and a violation of the Ohm's law (non-linear $I-V$). We report the unexpected discovery of a Chiral anomaly in the whole range ($x = 0.032, 0.072, 0.16$) of the TI state. This points to a field induced WSM state in an extended $x$ range and not just near the topological transition at $x = 0.03$. Surprisingly, the strongest Weyl phase is found at $x = 0.16$ with a non-saturating negative LMR much larger than observed for $x = 0.03$. The negative LMR vanishes rapidly with increasing angle between $B$ and $I$. Additionally, non-linear $I$--$V$ is found for $x = 0.16$ indicating a violation of Ohm's law. This unexpected observation of a strong Weyl state in the whole TI regime in Bi$_{1-x}$Sb$_x$ points to a gap in our understanding of the detailed electronic structure evolution in this alloy system.

研究动机与目标

• 研究在拓扑绝缘体（TI）相区全范围内（而不仅在 x ≈ 0.03 附近相变点处）Bi$_{1-x}$Sb$_x$ 中是否存在手征异常与手征性半金属（WSM）行为。
• 确定此前仅在 x ≈ 0.03 附近观察到的手征性半金属态是否在更高锑掺杂浓度（x = 0.072 和 x = 0.16）下依然存在。
• 通过分析磁阻的角依赖性与非线性 I–V 行为，检验其作为 TI 相区中手征异常的特征信号。
• 通过识别电子结构中的外尔节点，挑战主流观点——即 Bi$_{1-x}$Sb$_x$ 的体带在 x ≈ 0.04 之后为平凡能带——从而揭示其在 x = 0.16 时仍存在外尔节点。

提出的方法

• 采用真空环境下改进的布里奇曼法生长了高质量单晶 Bi$_{1-x}$Sb$_x$，其中 x = 0.032、0.072 和 0.16。
• 在低温（2 K）下进行磁输运测量，测量纵向磁阻（LMR）随磁场 B 和电流方向 I 的变化。
• 通过调节磁场 B 与电流 I 之间的夹角，系统测量 LMR 的角依赖性，以检验手征异常的特征信号。
• 在磁场 B 平行或垂直于电流方向时，测量非线性 I–V 特性，以检测欧姆定律的违背。
• 测量温度依赖的 LMR，以评估手征异常的热稳定性，数据收集至 50 K。
• 数据分析聚焦于识别负 LMR 随 B 与 I 夹角增大而被抑制的现象，这是 Adler-Bell-Jackiw 手征异常的典型标志。

实验结果

研究问题

• RQ1 手征异常（表现为负纵向磁阻）是否在拓扑绝缘体相区深处（x ≈ 0.04 之后）的 Bi$_{1-x}$Sb$_x$ 样品中持续存在？
• RQ2 手征性半金属态是否仅在拓扑相变点附近（x ≈ 0.03）被观测到，还是可延伸至更高锑浓度（如 x = 0.16）？
• RQ3 在 TI 相区不同组分中，负 LMR 的强度与角依赖性如何变化？
• RQ4 在 WSM 态中是否存在欧姆定律违背的证据（即非线性 I–V），且其是否与磁场平行于电流对齐相关？
• RQ5 手征异常的持续存在对 Bi$_{1-x}$Sb$_x$ 在 x = 0.16 时体带结构中存在外尔节点意味着什么？

主要发现

• 在 x = 0.16 处观测到强烈且不饱和的负纵向磁阻（LMR），其幅度超过 x = 0.032 处的值，表明在 TI 相区深处存在稳健的手征性半金属（WSM）态。
• 在 x = 0.16 处，当 B 与 I 平行时，负 LMR 达到最大值，并随 B 与 I 夹角增大而迅速抑制，证实了手征异常的特征。
• 在 x = 0.16 处，仅当 B 平行于 I 时观测到明显的非线性 I–V 响应，表明欧姆定律被违背，这是 WSM 行为的进一步证据。
• 在 x = 0.072 处也检测到较弱但可观测的负 LMR，表明 WSM 特性在整个 TI 相区范围内持续存在。
• 手征异常在超过 50 K 时被抑制，表明外尔节点对输运的贡献具有热激活特性。
• 结果挑战了传统观点——即外尔节点仅在拓扑相变点附近出现——表明即使在 x = 0.16 时，Bi$_{1-x}$Sb$_x$ 的体带结构中仍存在外尔节点。