[论文解读] Observation of Negative Magnetoresistance and nontrivial $\pi$ 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 6

一句话总结

本研究首次实验观测到三维外尔半金属NbAs中的负磁阻效应及非平凡的π贝里相位，证实了外尔费米子的存在与手性异常。通过高质量单晶与输运测量，作者在平行磁场配置下展示了手性异常诱导的负磁阻，并从肖伯尼科夫-德哈斯振荡中提取出π贝里相位，为NbAs中拓扑外尔节点的存在提供了直接证据。

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 $\pi$, indicating the existence of Weyl points.

研究动机与目标

• 通过测量磁阻各向异性，为三维外尔半金属中手性异常的存在提供直接实验证据。
• 通过量子振荡检测非平凡π贝里相位，验证NbAs中外尔节点的存在。
• 确立NbAs作为研究常规金属之外拓扑量子现象的稳健平台。
• 通过在同一块高质量单晶中同时展示负磁阻与非平凡贝里相位，解决先前相互矛盾的报告。

提出的方法

• 采用碘作为运输剂，通过气相输运法生长高质量NbAs单晶。
• 利用粉末X射线衍射和能谱分析（EDS）确认晶体结构与化学计量比。
• 采用六探针法高精度测量纵向电阻率与横向霍尔电阻。
• 在不同磁场角度（θ）下测量磁阻，以研究磁场方向依赖性。
• 通过分析肖伯尼科夫-德哈斯振荡，从朗道能级轨道中提取贝里相位。
• 利用单晶X射线衍射确定（112）表面晶面，并通过窄峰宽（FWHM = 0.03°）确认晶体质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 NbAs在磁场与电流平行配置（θ = 0°）时是否表现出如手性异常理论预测的负磁阻？
• RQ2 NbAs中沿朗道轨道累积的贝里相位是否与外尔费米子预期的非平凡π相一致？
• RQ3 高质量NbAs单晶能否同时表现出负磁阻与非平凡π贝里相位，从而证实其外尔半金属特性？
• RQ4 NbAs中的磁阻各向异性与常规金属相比如何？其电子结构揭示了何种物理信息？
• RQ5 对称性破缺在NbAs中外尔节点的稳定中起何作用？其输运特性如何体现这一机制？

主要发现

• 当磁场与电流平行对齐（θ = 0°）时，观测到高达-10%的负磁阻，证实了NbAs中外尔费米子的手性异常。
• 在θ = 90°（垂直磁场）时测得高达10,000%的正磁阻，凸显强磁场依赖性与显著各向异性。
• 即使在极低磁场下，肖伯尼科夫-德哈斯振荡仍清晰可辨，表明载流子迁移率高且量子相干性优异。
• 从SdH振荡分析中提取的贝里相位为π，为NbAs中外尔节点的存在提供了直接证据。
• 通过XRD与EDS（Nb:As = 49.4:50.6）确认的高质量单晶具有0.03°的窄摇摆曲线半高全宽（FWHM），表明晶体质量极佳。
• 观测到的输运行为（包括负磁阻与π贝里相位）与时间反演对称性保护的三维外尔半金属（如NbAs）的理论预测高度一致。