[论文解读] Topological Critical Point and Resistivity Anomaly in HfTe5

Li‐Juan Zhao, Xiaochun Huang+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2015

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本研究在HfTe5中识别出一种由温度诱导的拓扑量子相变，其中在电阻率峰值温度Tp处出现三维拓扑狄拉克半金属态，其特征为大的负磁阻，该相变介于弱拓扑绝缘体和强拓扑绝缘体相之间，通过拓扑临界性解决了长期以来关于异常电阻率峰的谜团。

ABSTRACT

There is a long-standing confusion concerning the physical origin of the anomalous resistivity peak in transition metal pentatelluride HfTe5. Several mechanisms, like the formation of charge density wave or polaron, have been proposed, but so far no conclusive evidence has been presented. In this work, we investigate the unusual temperature dependence of magneto-transport properties in HfTe5. We find that a three dimensional topological Dirac semimetal state emerges only at around Tp (at which the resistivity shows a pronounced peak), as manifested by a large negative magnetoresistance. This accidental Dirac semimetal state mediates the topological quantum phase transition between the two distinct weak and strong topological insulator phases in HfTe5. Our work not only provides the first evidence of a temperature-induced critical topological phase transition in HfTe5, but also gives a reasonable explanation on the long-lasting question.

研究动机与目标

• 为解决HfTe5中异常电阻率峰起源的长期模糊性。
• 研究HfTe5的温度依赖磁电输运性质。
• 确定电阻率异常是否与拓扑量子相变相关。
• 确定HfTe5中三维拓扑狄拉克半金属态的出现。
• 阐明弱拓扑绝缘体与强拓扑绝缘体相之间拓扑相变的本质。

提出的方法

• 在一系列温度下测量磁电输运性质，以探测电子行为。
• 分析磁阻响应，以检测狄拉克费米子和拓扑态的特征。
• 识别出发生拓扑相变的关键温度Tp。
• 将负磁阻用作拓扑狄拉克半金属行为的关键指标。
• 将电子结构演化与拓扑绝缘体和半金属的理论模型进行比较。
• 将Tp处的电阻率峰值与拓扑狄拉克半金属态的出现相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 HfTe5中异常电阻率峰的物理起源是什么？
• RQ2 Tp处的电阻率峰是否对应于一个拓扑相变？
• RQ3 HfTe5在Tp处是否实现了三维拓扑狄拉克半金属态？
• RQ4 该拓扑态如何介于弱拓扑绝缘体与强拓扑绝缘体相之间？
• RQ5 负磁阻能否作为HfTe5中拓扑狄拉克半金属行为的特征标志？

主要发现

• 在HfTe5的电阻率峰值温度Tp处，出现三维拓扑狄拉克半金属态。
• Tp处的大面积负磁阻为狄拉克半金属态提供了直接证据。
• 该体系在Tp处经历拓扑量子相变，实现从弱拓扑绝缘体相到强拓扑绝缘体相的转变。
• HfTe5中的电阻率异常可由温度驱动的拓扑临界点解释。
• 本工作首次提供了HfTe5中温度诱导拓扑相变的实验证据。
• 研究结果解决了长期关于电阻率峰起源的争议，将其归因于拓扑临界性，而非电荷密度波或极化子效应。