[论文解读] Two-dimensional Dirac fermions in YbMnBi2 antiferromagnet

Aifeng Wang, Igor Zaliznyak+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Rare-earth and actinide compounds被引用 5

一句话总结

本研究通过量子输运测量在YbMnBi₂单晶中识别出二维狄拉克费米子，揭示了非零贝里相位、较小的朗道能级质量以及线性磁阻。结果证实了具有强自旋轨道耦合的准二维狄拉克费米子的存在，其证据来自量子振荡及与层状反铁磁体系中狄拉克费米子量子极限行为一致的场依赖输运特性。

ABSTRACT

We report two-dimensional quantum transport and Dirac fermions in YbMnBi2 single crystals. YbMnBi2 is a layered material with anisotropic conductivity and magnetic order below 290 K. Magnetotransport properties, nonzero Berry phase and small cyclotron mass indicate the presence of quasi two dimensional Dirac fermions. Quantum oscillations in Hall resistivity suggest the presence of both electron and hole parts of the Fermi surface whereas the Berry phase suggests spin-orbit coupling.

研究动机与目标

• 通过研究YbMnBi₂单晶的量子输运性质，以识别狄拉克费米子的存在。
• 确定自旋轨道耦合与磁序在稳定这种层状反铁磁体系中狄拉克费米子的作用。
• 利用角度依赖磁阻和量子振荡表征费米面拓扑结构。
• 通过磁阻交叉场B*的场依赖和温度依赖关系，验证狄拉克费米子的量子极限行为。
• 确立尽管存在多带费米面贡献，狄拉克态在输运中仍占主导地位。

提出的方法

• 采用过量铋的助熔剂法生长高质量YbMnBi₂单晶。
• 在低温（2–4 K）下进行高场磁阻测量（最高达9 T），以探测量子输运行为。
• 通过角度依赖磁阻测量确定费米面的各向异性和确认准二维特性。
• 分析霍尔电阻率中的量子振荡，以提取费米面拓扑结构和贝里相位。
• 应用科勒规则，并将交叉场B*拟合至量子极限方程：B* = (1/2eħvF²)(kBT + EF)²。
• 通过中子衍射、X射线粉末衍射、透射电镜（TEM）和能谱分析（EDX）进行结构与电子结构表征，以确认晶体质量和成分。

实验结果

研究问题

• RQ1 YbMnBi₂单晶是否如量子输运特征所示，存在二维狄拉克费米子？
• RQ2 YbMnBi₂中的费米面性质如何？其具有准二维还是三维特征？
• RQ3 磁阻的磁场依赖关系如何揭示狄拉克费米子的存在及其量子极限？
• RQ4 自旋轨道耦合在观测到的非平凡贝里相位和输运各向异性中起什么作用？
• RQ5 根据科勒规则和场强标度分析，狄拉克态在多带系统中对输运的主导程度如何？

主要发现

• YbMnBi₂表现出约0.3π的非零贝里相位，表明狄拉克费米子具有强自旋轨道耦合和非平凡拓扑。
• 测得的朗道能级质量较小（~0.05mₑ），与狄拉克费米子预期的线性色散关系一致。
• 面内磁阻在临界场B*处发生从抛物场依赖到线性场依赖的转变，该B*随温度升高而增加，并符合量子极限标度关系：B* = (1/2eħvF²)(kBT + EF)²。
• 角度依赖磁阻呈现两重对称性，最大磁阻出现在B∥c轴方向，最小磁阻出现在B位于ab面方向，与主导的准二维费米面一致。
• 霍尔电阻率中的量子振荡揭示了电子和空穴口袋共存，表明费米面结构复杂，且具有2D与3D特征的混合。
• 在高场区域服从科勒规则，表明存在单一主导散射时间，且尽管存在多带贡献，狄拉克态在输运中仍占主导地位。