[论文解读] Robust linear magnetoresistance in WTe2

Xingchen Pan, Yiming Pan+16 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2015

2D Materials and Applications参考文献 10被引用 19

一句话总结

本研究报道了在高质量WTe2晶体中存在稳健的线性磁阻（LMR），其在高达60特斯拉的磁场和6.2吉帕斯卡的高压下依然保持稳定，其根源在于费米能级附近的准线性能带色散。LMR在低场区域通过迁移率谱分析得以识别，并在高场区域主导于抛物线型磁阻，表明WTe2中存在一种根本性的非饱和磁阻下限，该下限对磁场、载流子不平衡及迁移率抑制均具有鲁棒性。

ABSTRACT

Unsaturated magnetoresistance (MR) has been reported in WTe2, and remains irrepressible up to very high field. Intense optimization of the crystalline quality causes a squarely-increasing MR, as interpreted by perfect compensation of opposite carriers. Herein we report our observation of linear MR (LMR) in WTe2 crystals, the onset of which is first identified by constructing the mobility spectra of the MR at low fields. The LMR further intensifies and predominates at fields higher than 20 Tesla while the parabolic MR gradually decays. The LMR remains unsaturated up to a high field of 60 Tesla and persists, even at a high pressure of 6.2 GPa. Assisted by density functional theory calculations and detailed mobility spectra, we find the LMR to be robust against the applications of high field, broken carrier balance, and mobility suppression. Angle-resolved photoemission spectroscopy reveals a unique quasilinear energy dispersion near the Fermi level. Our results suggest that the robust LMR is the low bound of the unsaturated MR in WTe2.

研究动机与目标

• 确定在高磁场下仍保持显著的非饱和磁阻在WTe2中的起源。
• 确定在极端条件下，线性磁阻（LMR）是否作为WTe2中的基本输运响应出现。
• 研究LMR在高磁场、高压及载流子不平衡条件下的鲁棒性。
• 通过角分辨光电子能谱（ARPES）将观测到的LMR与电子能带结构联系起来。
• 确立迁移率谱在识别低场区域LMR起始点中的作用。

提出的方法

• 从磁电输运测量构建迁移率谱，以识别低磁场下线性磁阻的起始点。
• 开展高达60特斯拉的高场磁电输运测量，以评估磁阻的饱和行为。
• 施加静水压最高达6.2吉帕斯卡，以测试LMR在结构与电子扰动下的鲁棒性。
• 利用密度泛函理论（DFT）计算模拟电子能带结构，并确认费米能级附近存在准线性色散。
• 通过角分辨光电子能谱（ARPES）直接观测能带色散，并验证理论预测。
• 通过比较不同掺杂条件与磁场下下的输运响应，分析载流子不平衡与LMR之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了在高磁场下WTe2中持续存在的线性磁阻？
• RQ2 线性磁阻在高磁场和高压等极端条件下的响应行为如何？
• RQ3 线性磁阻是否与特定的电子能带结构特征（如准线性色散）相关？
• RQ4 迁移率谱分析是否能可靠地识别出WTe2中线性磁阻的起始点？
• RQ5 载流子不平衡如何影响线性磁阻与抛物线型磁阻之间的稳定性与主导性？

主要发现

• 线性磁阻在低场区域即已出现，并在超过20特斯拉后成为主导贡献，而抛物线型磁阻则逐渐衰减。
• 线性磁阻在高达60特斯拉的磁场下仍保持非饱和，表明其具有稳健的非饱和响应特性。
• 在6.2吉帕斯卡的静水压下LMR依然保持稳定，表明其对电子与结构扰动具有强韧性。
• 角分辨光电子能谱（ARPES）揭示了费米能级附近存在准线性能带色散，支持了LMR的起源。
• 迁移率谱分析证实，LMR的起始与正负载流子的完全或近乎完全补偿密切相关。
• 密度泛函理论计算证实了费米面附近存在线性能带结构，与观测到的输运行为一致。