[论文解读] Role of spin-orbit coupling and evolution of the electronic structure of WTe$_2$ under an external magnetic field

Daniel Rhodes, Suvadip Das+6 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 8

一句话总结

本研究通过角度和温度依赖的Shubnikov-de-Haas（SdH）振荡，探究了WTe₂中自旋-轨道耦合以及磁场诱导的电子能带结构演化。研究识别出四个不同的费米面横截面积，归因于自旋-轨道分裂的电子型和空穴型口袋，并表明密度泛函理论（DFT）无法再现实验测得的费米面几何结构。关键发现是费米面在磁场作用下发生演化，有效质量和横截面积随磁场变化，表明电子结构具有动态特性，这可能是该材料出现巨大且不饱和磁阻效应的物理机制。

ABSTRACT

Here, we present a detailed study on the temperature and angular dependence of the Shubnikov-de-Haas (SdH) effect in the semi-metal WTe$_2$. This compound was recently shown to display a very large non-saturating magnetoresistance which was attributed to nearly perfectly compensated densities of electrons and holes. We observe four fundamental SdH frequencies and attribute them to spin-orbit split, electron- and hole-like, Fermi surface (FS) cross-sectional areas. Their angular dependence seems consistent with ellipsoidal FSs with volumes suggesting a modest excess in the density of electrons with respect to that of the holes. We show that density functional theory (DFT) calculations fail to correctly describe the FSs of WTe$_2$. When their cross-sectional areas are adjusted to reflect the experimental data, the resulting volumes of the electron/hole FSs obtained from the DFT calculations would imply a pronounced imbalance between the densities of electrons and holes. We find evidence for field-dependent Fermi surface cross-sectional areas by fitting the oscillatory component superimposed onto the magnetoresistivity signal to several Lifshitz-Kosevich components. We also observe a pronounced field-induced renormalization of the effective masses. Taken together, our observations suggest that the electronic structure of WTe$_2$ evolves with the magnetic field. This evolution might be a factor contributing to its pronounced magnetoresistivity.

研究动机与目标

• 解决理论预测与WTe₂费米面实验观测之间的差异。
• 利用高场SdH测量确定WTe₂中费米面片的数量及其性质。
• 研究自旋-轨道耦合与磁场对电子结构和费米面几何的影响。
• 评估DFT计算在强磁场下描述WTe₂费米面的准确性。
• 探讨费米面演化与观测到的巨大且不饱和磁阻效应之间的关联。

提出的方法

• 在单晶WTe₂上进行高达35 T的角依赖和温度依赖磁阻测量，以探测SdH振荡。
• 对SdH频率的角依赖性进行分析，以提取费米面横截面积并推断椭球形口袋几何结构。
• 将磁阻的振荡分量拟合为多个Lifshitz-Kosevich组分，以提取磁场依赖的有效质量和频率。
• 将实验获得的费米面数据与密度泛函理论（DFT）计算结果进行比较，考虑自旋-轨道耦合和费米能级位置的影响。
• 分析Zeeman效应对自旋分裂能带的影响及其在改变费米面拓扑结构和散射速率方面的潜在作用。
• 利用Onsager关系将SdH频率与费米面横截面积关联，以推断口袋体积。

实验结果

研究问题

• RQ1 WTe₂中存在多少个不同的费米面片？其自旋-轨道分裂特性如何？
• RQ2 与实验SdH数据相比，DFT计算在多大程度上准确描述了WTe₂的费米面几何结构？
• RQ3 磁场在多大程度上影响WTe₂中的有效质量和费米面横截面积？
• RQ4 Zeeman效应和自旋-轨道耦合在改变电子结构并促成巨大磁阻效应中起什么作用？
• RQ5 WTe₂的费米面是否表现出磁场依赖的重构？若是，对准粒子散射和输运特性有何影响？

主要发现

• 观测到四个不同的SdH频率，表明存在两个自旋-轨道分裂的电子型和两个空穴型费米面口袋。
• 费米面横截面积的角依赖性最适宜用椭球形口袋描述，暗示空穴密度比电子密度高出约4%。
• DFT计算无法再现实验测得的费米面几何结构，尤其在空穴口袋方面表现不佳；若匹配横截面积，DFT将预测出显著的电子-空穴不对称性。
• 对SdH信号进行磁场依赖拟合，揭示了有效质量随磁场增加而显著重整化，表明电子结构存在动态演化。
• 基本SdH频率随磁场变化，表明费米面几何结构并非静态，而是对外部磁场产生响应。
• Zeeman效应可能使自旋分裂能带相对于费米能级发生位移，从而可能打开反向散射通道，有助于解释WTe₂中观测到的巨大且不饱和磁阻效应。