[论文解读] Temperature dependence of quantum oscillations from non-parabolic dispersions

Chunyu Guo, A. Alexandradinata+17 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 46被引用 29

一句话总结

本文提出，拓扑狄拉克和外尔费米子的量子振荡中存在温度依赖的频率漂移，可作为其拓扑指纹。研究表明，线性能动量色散关系——拓扑半金属的特征——会引入一个T²修正项至振荡频率，而抛物能带中则不存在该效应。在Cd3As2和LaRhIn5中的实验结果证实了该T²依赖关系，且无需拟合参数；而Bi2O2Se则未表现出此类频移，验证了该方法的特异性，并实现了无需第一性原理计算的拓扑识别。

ABSTRACT

The phase offset of quantum oscillations is commonly used to experimentally diagnose topologically non-trivial Fermi surfaces. This methodology, however, is inconclusive for spin-orbit-coupled metals where $\pi$-phase-shifts can also arise from non-topological origins. Here, we show that the linear dispersion in topological metals leads to a $T^2$-temperature correction to the oscillation frequency that is absent for parabolic dispersions. We confirm this effect experimentally in the Dirac semi-metal Cd$_3$As$_2$ and the multiband Dirac metal LaRhIn$_5$. Both materials match a tuning-parameter-free theoretical prediction, emphasizing their unified origin. For topologically trivial Bi$_2$O$_2$Se, no frequency shift associated to linear bands is observed as expected. However, the $\pi$-phase shift in Bi$_2$O$_2$Se would lead to a false positive in a Landau-fan plot analysis. Our frequency-focused methodology does not require any input from ab-initio calculations, and hence is promising for identifying correlated topological materials.

研究动机与目标

• 为解决利用相位偏移（如π-相移）诊断拓扑半金属时存在的模糊性，此类偏移可能源于自旋-轨道耦合等非拓扑起源。
• 开发一种鲁棒的、无需参数的实验方法，以区分关联电子系统和自旋-轨道耦合金属中的拓扑与平凡费米面。
• 确立线性能带色散——狄拉克、外尔及多叶费米子的特征——会产生量子振荡频率的唯一T²修正项。
• 实验表明，该T²修正项在平凡系统（如Bi2O2Se）中不存在，从而证实其拓扑起源。

提出的方法

• 基于Lifshitz-Kosevich公式在kBT/EF下的渐近展开，从线性色散关系中导出量子振荡频率的理论T²修正项，该修正源于回旋质量对能量的导数。
• 应用公式∆F_top(T) = −π²/4 (kBT)² / β |∂(log mc)/∂E|，其中β为有效玻尔磁子，mc为回旋质量。
• 利用角度依赖的Shubnikov-de Haas（SdH）振荡及傅里叶变换，从LaRhIn5和Cd3As2中提取多个费米面轨道。
• 对高场SdH数据进行Dingle分析，以提取量子平均自由程并确认样品质量优异。
• 采用非线性回归拟合振荡频率与温度的关系，以提取T²依赖性，并通过标准误差计算参数误差条。
• 将结果与Landau扇形图进行对比，以揭示在Bi2O2Se等平凡系统中因相位偏移导致的假阳性结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子振荡中的温度依赖频率漂移是否能唯一识别具有线性色散关系的拓扑费米面？
• RQ2 T²修正项是否仅由线性能带色散引起，而不会出现在抛物能带或平凡能带中？
• RQ3 该方法能否有效区分拓扑狄拉克/外尔半金属与具有相似相位偏移的平凡金属（如Bi2O2Se）？
• RQ4 该T²修正项在真实材料（如Cd3As2和LaRhIn5）中是否可观测且定量一致，且无需第一性原理输入？

主要发现

• 在Cd3As2和LaRhIn5中实验观测到振荡频率的T²修正项，且与理论预测完全一致，无需任何拟合参数。
• Cd3As2中的频率漂移遵循T²依赖关系，斜率为−0.0028 T/K²，与理论模型一致。
• 在LaRhIn5中，多个费米面轨道（α1、β2、α3）均证实存在T²依赖关系，且回旋质量一致，量子平均自由程较长（约300–900 nm）。
• Bi2O2Se作为拓扑平凡材料，未表现出T²频率漂移，证实该方法对线性色散的特异性。
• Landau扇形图错误地在Bi2O2Se中显示出π-相位偏移，导致对拓扑行为的误判——凸显了基于频率诊断的必要性。
• 该方法可实现无需第一性原理计算的拓扑识别，因此特别适用于筛选关联拓扑材料。