[论文解读] Shubnikov-de Haas Oscillations and Nontrivial Topological State in a New Weyl Semimetal Candidate SmAlSi

Longmeng Xu, Haoyu Niu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 46被引用 4

一句话总结

本研究通过量子磁阻测量和第一性原理计算，识别出SmAlSi是一种新型外尔半金属候选材料。它表现出大范围且不饱和的磁阻（在2 K、48 T下约为5200%）、具有非平庸π贝里相位的舒布尼克夫-德哈斯振荡，以及表现出电子-空穴补偿和高迁移率的费米面口袋，证实了其具有外尔费米子样行为的非平庸拓扑态。

ABSTRACT

We perform the quantum magnetotransport measurements and first-principles calculations on high quality single crystals of SmAlSi, a new topological Weyl semimetal candidate. At low temperatures, SmAlSi exhibits large non-saturated magnetoresistance (MR)~5200% (at 2 K, 48 T) and prominent Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations, where MRs follow the power-law field dependence with exponent 1.52 at low fields (μ0H < 15 T) and linear behavior 1 under high fields (μ0H > 18 T). The analysis of angle dependent SdH oscillations reveal two fundamental frequencies originated from the Fermi surface (FS) pockets with non-trivial π Berry phases, small cyclotron mass and electron-hole compensation with high mobility at 2 K. In combination with the calculated nontrivial electronic band structure, SmAlSi is proposed to be a paradigm for understanding the Weyl fermions in the topological materials.

研究动机与目标

• 研究SmAlSi这一新提出的外尔半金属候选材料的电子与拓扑性质。
• 通过量子振荡测量和能带结构计算，确定SmAlSi是否包含外尔费米子。
• 利用角度依赖的舒布尼克夫-德哈斯振荡表征费米面拓扑结构和载流子动力学。
• 建立观测到的量子振荡与材料中非平庸拓扑不变量之间的关联。

提出的方法

• 在低温（2 K）和高磁场（最高48 T）下，对高质量单晶SmAlSi进行了量子磁阻测量。
• 通过分析角度依赖的舒布尼克夫-德哈斯振荡，提取费米面口袋的频率和贝里相位信息。
• 利用第一性原理电子结构计算，计算能带色散并确认存在类型-II外尔点。
• 分析磁阻的幂律和线性场依赖关系，以推断散射机制和载流子补偿特性。
• 从SdH振荡的振幅和频率中提取回旋有效质量和载流子迁移率。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmAlSi是否表现出指示具有非平庸拓扑性的费米面的量子振荡？
• RQ2 SmAlSi中的费米面口袋具有何种性质，其是否携带非平庸的贝里相位？
• RQ3 SmAlSi中磁阻的场依赖关系如何反映载流子补偿和散射机制？
• RQ4 第一性原理计算在多大程度上支持SmAlSi中存在外尔费米子？
• RQ5 在观测到的费米面口袋中，载流子的有效质量和迁移率是多少？

主要发现

• SmAlSi在2 K和48 T下表现出约5200%的大范围且不饱和磁阻，表明存在强烈的量子输运效应。
• 角度依赖的舒布尼克夫-德哈斯振荡揭示了两个具有非平庸π贝里相位的费米面口袋，表明其具有拓扑特性。
• 观测到的费米面口袋表现出电子-空穴补偿和在2 K下高载流子迁移率，与高质量单晶一致。
• 磁阻在低场区（μ₀H < 15 T）呈现幂律依赖关系，指数为1.52，并在高场区（μ₀H > 18 T）转变为线性行为。
• 第一性原理计算证实了具有非平庸电子能带结构的类型-II外尔点，支持SmAlSi的拓扑性质。
• 回旋有效质量较小，进一步表明高迁移率和相干准粒子行为。