[论文解读] Topological phase transition induced extreme magnetoresistance in TaSb$_{2}$

Zheng Wang, Yupeng Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 12

一句话总结

本研究在1.5 K和15 T条件下，报告了单晶TaSb₂中高达172万%的极端磁阻（XMR），其源于电子-空穴补偿近乎完美，电子与空穴载流子密度不匹配低于0.1%。XMR遵循二次场依赖关系（MR ∝ B¹.⁹⁶），这是由于主空穴费米面的浅能级肩部口袋消失所触发的拓扑相变所致，该结果通过量子振荡和DFT计算得到证实，揭示了在20 K和60 K处存在两次李希斯（Lifshitz）转变。

ABSTRACT

We report extremely large positive magnetoresistance of 1.72 million percent in single crystal TaSb$_{2}$ at moderate conditions of 1.5 K and 15 T. The quadratic growth of magnetoresistance (MR $\propto\,B^{1.96}$) is not saturating up to 15 T, a manifestation of nearly perfect compensation with $<0.1\%$ mismatch between electron and hole pockets in this semimetal. The compensation mechanism is confirmed by temperature-dependent MR, Hall and thermoelectric coefficients of Nernst and Seebeck, revealing two pronounced Fermi surface reconstruction processes without spontaneous symmetry breaking, extit{i.e.} Lifshitz transitions, at around 20 K and 60 K, respectively. Using quantum oscillations of magnetoresistance and magnetic susceptibility, supported by density-functional theory calculations, we determined that the main hole Fermi surface of TaSb$_{2}$ forms a unique shoulder structure along the $F-L$ line. The flat band top of this shoulder pocket is just a few meV above the Fermi level, leading to the observed topological phase transition at 20 K when the shoulder pocket disappears. Further increase in temperature pushes the Fermi level to the band top of the main hole pocket, induced the second Lifshitz transition at 60 K when hole pocket vanishes completely.

研究动机与目标

• 研究具有异常电子结构的拓扑半金属TaSb₂中极端磁阻（XMR）的起源。
• 确定电子-空穴补偿与费米面拓扑结构在维持非饱和XMR中的作用。
• 确定在20 K和60 K处观测到的拓扑相变背后的物理机制。
• 将费米面几何结构，特别是F-L方向上的独特肩部口袋，与XMR行为及李希斯转变联系起来。

提出的方法

• 采用碘作为运输剂的两步气相输运法合成单晶TaSb₂。
• 在1.5 K下进行输运测量，包括磁阻（MR）、霍尔效应、能斯特系数和塞贝克系数，以探测载流子补偿和费米面拓扑结构。
• 利用量子振荡分析磁阻和磁化率中的SdH效应，以提取费米面参数并识别不同的费米面口袋。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算模拟电子能带结构，包括自旋-轨道耦合（SOC），以解释肩部口袋的形成及拓扑不变量。
• 对量子振荡数据进行快速傅里叶变换（FFT），以提取电子和空穴口袋的频率及有效质量。
• 利用温度依赖性测量识别在20 K和60 K处的李希斯转变，分别对应肩部口袋和主空穴口袋的消失。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了TaSb₂中极端且非饱和的磁阻，为何其在15 T以内呈现二次场依赖关系？
• RQ2 费米面拓扑结构，特别是浅能级肩部口袋的存在，如何影响观测到的拓扑相变？
• RQ3 电子-空穴补偿在维持XMR中起什么作用，TaSb₂中的补偿精确度如何？
• RQ4 为何磁阻在20 K以上迅速退化，尽管电子-空穴补偿仍持续存在？
• RQ5 自旋-轨道耦合与能带反转如何共同促成TaSb₂中独特费米面结构的形成？

主要发现

• 在1.5 K和15 T条件下，TaSb₂表现出高达172万%的极端正磁阻，且磁阻随磁场呈B¹.⁹⁶依赖关系，表明电子-空穴补偿近乎完美。
• 电子-空穴补偿极为精确，电子与空穴载流子密度不匹配低于0.1%，远低于WTe₂中的4%不匹配。
• 在20 K和60 K处发生两次李希斯转变，分别对应肩部口袋和主空穴口袋的消失，该结果通过温度依赖性量子振荡得到证实。
• DFT计算揭示在主空穴费米面的F-L方向存在一个独特的肩部口袋，其由自旋-轨道耦合诱导的能隙打开（在0.45 eV处）形成，具有Z₂不变量[0;(111)]，表现出拓扑半金属行为。
• 在1.5 K时，该肩部口袋仅位于费米能级以上约9 meV，解释了其拓扑重要性及20 K处首次李希斯转变的成因。
• 费米面拓扑结构，特别是F₁点附近的双鞍形结构及浅能级肩部口袋的存在，被确定为XMR行为超越简单补偿机制的关键因素。