[论文解读] The large unsaturated magnetoresistance of Weyl semimetals

Yiming Pan, Huaiqiang Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出了一种扩展的有效介质理论（EMT），以解释如TaAs、NbAs和NbP等外尔半金属中观测到的大范围非饱和磁阻（XMR）。通过引入手征异常效应，该模型预测在高场下XMR呈现幂律依赖关系，并且预测的‘开启’场强与实验结果一致；同时揭示了当电场与磁场夹角较小时，由于手征异常贡献，磁阻由正转负的转变行为。

ABSTRACT

The Weyl semimetal (WSM) is a novel topological gapless state with promises exotic transport due to chiral anomaly. Recently, a family of nonmagnetic WSM candidates including TaAs, NbAs, NbP etc is confirmed by first principle calculation and experiments. The TaAs family are reported to display the large unsaturated magnetoresistance (XMR), which have not yet been explained. Here, we give a theoretical calculation of XMR based on the extended effective-medium approach to Weyl semimetals. We predict the power law of XMR at high magnetic field and the "turn-on" magnetic field, which are well in agreement with experiments data. Furthermore, we investigate the $θ$-dependence magnetoresistance and find the transition between the postive XMR and the negative magnetoresistance induced by chiral anomaly, which should be confirmed by further experiments.

研究动机与目标

• 解释在TaAs、NbAs和NbP等外尔半金属中实验观测到的大范围非饱和磁阻（XMR）现象，该现象目前尚缺乏完整的理论解释。
• 解释场强依赖的磁阻行为从二次方到近线性转变的机制，特别是实验中观测到的‘开启’场强H*。
• 将手征异常效应纳入有效介质理论（EMT）中，以描述外尔半金属中的异常输运性质。
• 预测磁阻的角依赖性，包括当磁场接近平行于电场时，由手征异常引起的正磁阻向负磁阻的转变。

提出的方法

• 将扩展的有效介质理论（EMT）应用于外尔半金属，将系统视为由正常与异常电导率贡献组成的复合介质。
• 总电导率张量建模为σαβ(t) = σαβ − εαβηbη + γBαBβ，其中bη代表异常霍尔电导率，γ表示手征磁效应。
• 通过场依赖的手征能级位移Δμ ∝ E·B引入手征异常，从而得到手征电流jch = γ(E·B)B，其中γ = e⁴τi/(4π⁴g(εF))。
• 对非补偿载流子系统（n ≠ p）求解自洽的EMT方程，实现对迁移率与载流子浓度比的合理参数化。
• 通过将磁场分解为平行分量（Hcosθ）与垂直分量（Hsinθ）来建模磁阻的角依赖性，前者贡献于手征异常，后者贡献于正常电导率。
• 引入无量纲参数δ = μ′/μ = √(γ/σ₀)/μ以量化手征异常效应的相对强度，从而分析正负磁阻之间的转变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TaAs、NbAs和NbP等外尔半金属中观测到的大范围非饱和磁阻的起源是什么？
• RQ2 有效介质理论如何解释高磁场下磁阻的幂律标度以及‘开启’场强H*？
• RQ3 手征异常在诱导正磁阻向负磁阻转变中起什么作用？其行为如何依赖于电场与磁场之间的夹角？
• RQ4 载流子浓度不平衡（n > p）与迁移率差异如何影响观测到的磁阻行为？
• RQ5 扩展的EMT模型能否定量再现实验磁阻数据，包括角依赖性？

主要发现

• 扩展的EMT预测在高磁场下磁阻呈现幂律依赖关系，其指数与TaAs及相关外尔半金属中的实验观测结果一致。
• 该模型成功再现了‘开启’磁场H*，即磁阻从二次方行为向近线性行为转变的临界场强，定性符合实验数据。
• 对于载流子补偿系统（n = p），模型表明磁阻的幂律行为随迁移率比μn/μp减小而减弱，在低场下偏离二次方行为。
• 理论预测在电场与磁场夹角较小时，由于手征异常作用，磁阻由正转负，且转变场强依赖于参数δ = μ′/μ。
• 由手征异常引起的负磁阻预测值较小（δ ≪ 1），由于主导的正XMR背景，实验中难以探测。
• 等高线图显示，正负磁阻的转变发生在依赖于δ的临界角度与场强处，手征异常效应越强，转变发生的磁场越低。