[论文解读] Quantum Phase Transitions in Weyl Semimetal Tantalum Monophosphide

Chenglong Zhang, Chi‐Cheng Lee+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 9

一句话总结

本研究首次报告了在三维拓扑外尔半金属钽单磷化物（TaP）中由磁场驱动的量子相变。在强磁场下，外尔费米子被限制在最低 Landau 亚能级，导致霍尔电阻率出现急剧的符号反转，这是由于一种集体态的贡献在临界磁场 $H^*$ 处消失所致，表明一种由电子关联驱动的新拓扑相变。

ABSTRACT

Magnetic fields perturb the motion of charged quasi-particles in solids in different ways including driving a quantum phase transition to a new state. Well-known examples include the integer and fractional quantum Hall effects \cite{FQHE,QHE_von} and the magnetic field-induced quantum phase transitions in topologically trivial semimetals such as graphite and bismuth \cite{graphite_CDW_experi1,graphite_CDW_experi2,CDW1,CDW_Bi}. A Weyl semimetal provides the first-ever realization of Weyl fermions. Such an exotic metal is characterized by the topological charges, which are momentum space monopoles and anti-monopoles that arise from the distinct chiralities of the Weyl fermions. Here we report a new quantum phase transition that arises from the Weyl fermionic quasiparticles in the Weyl semimetal tantalum monophosphide, TaP, under an intense magnetic field. We observed a sharp sign reversal of the Hall resistivity when the Weyl fermions are confined to the lowest Landau level. In this exotic chiral electron subband of a Weyl semimetal, which was never been studied experimentally beforehand, the Weyl fermions form an unexpected, collective state whose contribution to the Hall signal suddenly vanishes at a critical magnetic field ($H^{\ast}$) where the Weyl fermions enter the lowest Landau level. Our results taken collectively represent the first magnetic-field-driven quantum phase transition in a 3D bulk topological material and may suggest the emergence of new topological phases due to electronic correlations.

研究动机与目标

• 研究强磁场下三维拓扑外尔半金属中的量子相变。
• 探究外尔费米子在体态拓扑材料中被限制在最低 Landau 亚能级时的行为。
• 确定电子关联是否会在外尔费米子体系中导致涌现的集体态。
• 在 TaP 的量子霍尔响应中识别新拓扑相的特征。

提出的方法

• 施加强磁场以诱导 TaP 中外尔费米子的 Landau 量化。
• 测量纵向和横向电阻率，以探测不同磁场下的霍尔响应。
• 识别出霍尔电阻率发生急剧符号反转的临界磁场 $H^*$。
• 分析磁场下电子结构，确认最低 Landau 亚能级中形成手性电子亚能带。
• 与外尔半金属中手征异常和 Landau 能级量化的理论预测进行比较。
• 利用输运测量检测手性亚能带中集体态的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 当外尔费米子在强磁场下被限制在最低 Landau 亚能级时，TaP 的霍尔电阻率会发生什么变化？
• RQ2 最低 Landau 亚能级中手性电子亚能带的形成是否会在 TaP 中引发一种新型量子相变？
• RQ3 外尔半金属中的电子关联是否可能引发一种抑制霍尔响应的集体态？
• RQ4 霍尔电阻率符号反转的临界磁场 $H^*$ 是多少？这对其电子态有何含义？
• RQ5 该相变是否表明在三维体态外尔半金属中存在一种新的拓扑相？

主要发现

• 在临界磁场 $H^*$ 处，TaP 中观察到霍尔电阻率的急剧符号反转，表明发生了量子相变。
• 当外尔费米子被限制在最低 Landau 亚能级时，符号反转发生，表明进入了一种新的电子态。
• 在 $H^*$ 处，霍尔信号贡献突然消失，表明手性亚能带中出现了集体态。
• 这是在三维体态拓扑材料中首次实验观测到磁场驱动的量子相变。
• 结果表明，电子关联可能驱动外尔半金属中新型拓扑相的形成。
• 该现象具有独特性，仅出现在手性 Landau 亚能带中，此前尚未在实验中研究过。