[论文解读] Planar Hall effect in type-II Weyl semimetal WTe2

Y. J. Wang, Jiangwei Gong+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 28被引用 12

一句话总结

本研究首次实验观测到在II型外尔半金属WTe2中存在巨大的平面霍尔效应，证明该效应源于外尔费米子的阿德勒-贝尔-贾基沃手征异常。结果表明，平面霍尔效应是一种稳健且实验可探测的手段，可用于检测II型外尔半金属中的拓扑性质，为难以观测的负磁阻效应提供了更可靠的替代方案。

ABSTRACT

Adler-Bell-Jackiw chiral anomaly is a representative feature arising from the topological nature in topological semimetal. We report the first experimental observation of giant planar Hall effect in type-II Weyl semimetal WTe2. Our comprehensive analyes of the experimental data demonstrate that the detected planar Hall effect is originated from the chiral anomaly of Weyl fermions. Unlike the somewhat elusive negative magnetoresistance, the planar Hall effect is robust and easy to be detected in type-II Weyl semimetal. This work reveals that the planar Hall effect is an effective transport probe to determine the topological nature of topological semimetals, especially in type-II Weyl semimetals.

研究动机与目标

• 在II型外尔半金属WTe2中实验检测并表征平面霍尔效应。
• 建立观测到的平面霍尔效应与外尔费米子阿德勒-贝尔-贾基沃手征异常之间的直接联系。
• 证明平面霍尔效应相较于负磁阻，是探测拓扑序的更稳健且更易实现的实验探针。
• 通过输运测量提供确凿证据，证明WTe2具有拓扑本质。

提出的方法

• 在不同磁场取向条件下测量单晶WTe2的电输运性质。
• 系统调节磁场方向相对于电流方向和样品平面的取向，以探测平面霍尔响应。
• 分析平面霍尔电阻随磁场角度和大小的变化，以分离出手征异常的贡献。
• 将实验数据与II型外尔半金属中手征异常驱动的平面霍尔效应的理论预测进行比较。
• 利用平面霍尔信号的角依赖性，区分拓扑贡献与背景效应。
• 采用高质量单晶样品，以最小化无序性并增强信号清晰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在II型外尔半金属WTe2中实验观测到平面霍尔效应？
• RQ2 所观测到的平面霍尔效应是否可直接归因于外尔费米子的手征异常？
• RQ3 平面霍尔效应与负磁阻相比，作为拓扑序探针的表现如何？
• RQ4 WTe2中平面霍尔信号的角依赖性如何？其如何证实手征异常物理？
• RQ5 平面霍尔效应能否作为拓扑半金属相的可靠且稳健的指标？

主要发现

• 在WTe2中首次实验观测到巨大的平面霍尔效应，其表现出明显的磁场取向角依赖性。
• 平面霍尔信号与手征异常密切相关，其依赖关系由磁场方向和大小得到证实。
• 所观测到的平面霍尔效应具有高度稳健性和可重复性，即使在未出现显著负磁阻的情况下亦成立。
• 实验数据排除了平面霍尔效应的常规起源，如体外无序或几何效应。
• 与负磁阻相比，平面霍尔效应是探测拓扑序的更易实验实现的信号。
• 结果证实WTe2中存在由手征异常驱动输运的外尔费米子，验证了其作为II型外尔半金属的分类。