[论文解读] Observation of Negative Magnetoresistance and nontrivial $π$ Berrys phase in 3D Weyl semi-metal NbAs

Xiaojun Yang, Yupeng Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 12

一句话总结

本研究通过体输运测量，为NbAs中的三维外尔半金属相提供了直接的实验证据，展示了由手征异常引起的负磁阻效应，并通过肖伯尼科夫-德哈斯振荡证实了非平庸的π贝里相。观察到−20%的负磁阻以及π贝里相（β = 1/2），证实了NbAs中存在外尔费米子和拓扑电子结构，验证了理论预测与角分辨光电子能谱（ARPES）的结果。

ABSTRACT

We report the electric transport properties of NbAs, which is a Weyl semimetal candidate proposed by recent theoretical calculations and confirmed by recent angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) data. We detected the long-anticipated negative magneto-resistance generated by the chiral anomaly in NbAs. Clear Shubnikov de Haas (SdH) oscillations have been detected starting from very weak magnetic field. Analysis of the SdH peaks gives the Berry phase accumulated along the cyclotron orbits to be $π$, indicating the existence of Weyl points.

研究动机与目标

• 通过体输运测量，实验验证NbAs中外尔费米子的存在。
• 检测由手征异常引起的负磁阻，作为外尔点存在的特征信号。
• 通过肖伯尼科夫-德哈斯振荡测量贝里相，以确认非平庸的拓扑特性。
• 确立NbAs为高迁移率三维外尔半金属，具有器件应用潜力。
• 将理论预测与ARPES数据与体量子输运特征相协调。

提出的方法

• 通过蒸气输运法生长NbAs单晶，并利用X射线衍射（XRD）、能谱分析（EDS）和x射线摇摆曲线表征其高质量与化学计量比。
• 采用六探针法测量纵向电阻率和横向霍尔电阻，随磁场取向与温度变化而变化。
• 测量磁阻时，磁场方向从垂直（θ = 90°）旋转至平行（θ = 0°）于电流方向。
• 从低温（1.5–15 K）的电阻率数据中提取肖伯尼科夫-德哈斯振荡，并拟合至Lifshitz-Onsager量子化规则。
• 利用Onsager关系 F = (Φ₀/2π²)/A_F 计算费米面截面积，其中 Φ₀ = h/e。
• 通过1/B与Landau能级量子数n的截距确定贝里相β，β = 1/2 表明存在非平庸的π相。

实验结果

研究问题

• RQ1 NbAs是否表现出由手征异常引起的负磁阻，从而证实外尔费米子的存在？
• RQ2 NbAs中电子在回旋轨道中累积的贝里相是多少，是否表明具有非平庸拓扑？
• RQ3 NbAs的费米面是否与理论预测的三维狄拉克/外尔费米子体系一致？
• RQ4 NbAs在低温下的电子迁移率与量子输运行为如何？
• RQ5 NbAs的磁阻与常规金属及其他外尔半金属相比有何差异？

主要发现

• 当磁场方向与电流平行时，观察到高达−20%的负磁阻，为NbAs中手征异常的存在提供了直接证据。
• 从肖伯尼科夫-德哈斯振荡分析中提取出非平庸的π贝里相（β = 1/2），相位偏移截距为0.119，表明存在拓扑外尔费米子。
• 根据振荡频率25 T，确定费米面截面积为2.38 × 10⁻³ Å⁻²。
• NbAs在1.5 K时表现出超高的迁移率2.45 × 10⁵ cm²/Vs，表明其电子态质量极高。
• 在室温下观察到高达10,000%的线性磁阻，即使在弱磁场下亦显著。
• 相位偏移δ = 0.119与三维波纹状费米面一致，支持该体系的三维狄拉克/外尔特性。