[论文解读] Pi Berry phase and Zeeman splitting of TaP probed by high field magnetotransport measurements

Jin Hu, J. Y. Liu+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 56被引用 63

一句话总结

本研究通过最高达31 T的高场磁电输运测量，探究了TaP单晶的拓扑电子性质。通过在多个费米口袋中观测到非平凡的π贝里相位以及高磁场下的塞曼分裂，证实了外尔费米子行为的存在，从而实现了朗德g因子的提取，关键证据来自对舒布尼科夫-德哈斯振荡的广义利夫希茨-科泽维奇分析。

ABSTRACT

The chiral anomaly-induced negative magnetoresistance and non-trivial Berry phase are two fundamental transport properties associated with the topological properties of Weyl fermions. In this work, we report the quantum transport of TaP single crystals in magnetic field up to 31T. Through the analyses of our magnetotransport data, we show TaP has the signatures of a Weyl state, including light effective quasiparticle masses, ultrahigh carrier mobility, as well as negative longitudinal magnetoresistance. Furthermore, we have generalized the Lifshitz-Kosevich formula for Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations with multi-frequencies, and determined the non-trivial Berry phase of Pi for multiple Fermi pockets in TaP through the direct fitting of the quantum oscillations. In high fields, we also probed signatures of Zeeman splitting, from which the Landé g-factor is extracted.

研究动机与目标

• 在极端磁场条件下，研究TaP单晶的拓扑电子结构。
• 确定TaP多个费米口袋中非平凡贝里相位的存在。
• 通过高磁场中塞曼分裂效应的探测，提取朗德g因子。
• 通过负磁阻和超高迁移率等量子输运特征，验证TaP的外尔半金属本质。

提出的方法

• 在TaP单晶上进行最高达31 T的高场磁电输运测量，以探测量子振荡和磁阻行为。
• 应用广义利夫希茨-科泽维奇公式分析多频舒布尼科夫-德哈斯振荡。
• 通过量子振荡相位的直接拟合，提取多个费米面口袋中π的贝里相位。
• 在高场振荡数据中识别塞曼分裂，以确定朗德g因子。
• 从量子振荡频率和振幅中提取有效准粒子质量和载流子迁移率。
• 测量了负纵向磁阻，并与手征异常效应相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高磁场下，TaP的费米面口袋是否表现出非平凡的π贝里相位？
• RQ2 从高场量子振荡中的塞曼分裂中提取的TaP朗德g因子是多少？
• RQ3 所观测到的量子振荡在多大程度上证实了TaP的外尔费米子特性？
• RQ4 TaP中有效准粒子质量和载流子迁移率与外尔半金属的预期值相比如何？
• RQ5 广义利夫希茨-科泽维奇形式化能否准确描述TaP中的多频舒布尼科夫-德哈斯振荡？

主要发现

• 通过舒布尼科夫-德哈斯振荡相位拟合，直接证实了TaP中多个费米口袋的非平凡π贝里相位。
• 从高磁场中塞曼分裂提取了TaP的朗德g因子，表明存在强自旋-轨道耦合。
• 观测到超高载流子迁移率和轻的有效准粒子质量，与外尔费米子行为一致。
• 测量到负纵向磁阻，为TaP中手征异常的存在提供了证据。
• 广义利夫希茨-科泽维奇公式成功描述了多频量子振荡，实现了相位和振幅的精确分析。
• 量子振荡相位、塞曼分裂与负磁阻的综合结果，为TaP是外尔半金属提供了有力证据。