[论文解读] Ultrahigh mobility and giant magnetoresistance in Cd$_3$As$_2$: protection from backscattering in a Dirac semimetal

Tian Liang, Quinn Gibson+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2014

Graphene research and applications被引用 7

一句话总结

该论文报告了在零磁场下由于拓扑保护机制抑制了反向散射，Cd₃As₂中表现出超高电子迁移率（>10⁷ cm²/Vs）和巨大的线性磁阻。这种保护源于狄拉克半金属的能带结构，导致输运寿命比量子寿命长10⁴倍，而磁场会破坏这种保护，从而引起违反柯勒规则的异常H线性磁阻。

ABSTRACT

Dirac semimetals and Weyl semimetals are 3D analogs of graphene in which crystalline symmetry protects the nodes against gap formation [1-3]. Na$_3$Bi and Cd$_3$As$_2$ were predicted to be Dirac semimetals [4,5], and recently confirmed to be so by photoemission [6-8]. Several novel transport properties in a magnetic field $\bf H$ have been proposed for Dirac semimetals [2,9-11]. Here we report an interesting property in Cd$_3$As$_2$ that was unpredicted, namely a remarkable protection mechanism that strongly suppresses back-scattering in zero $\bf H$. In single crystals, the protection results in a very high mobility that exceeds $>10^7$ cm$^2$/Vs below 4 K. Suppression of backscattering results in a transport lifetime 10$^4 imes$ longer than the quantum lifetime. The lifting of this protection by $\bf H$ leads to an unusual giant $\bf H$-linear magnetoresistance that violates Kohler's rule. We discuss how this may relate to changes to the Fermi surface induced by $\bf H$.

研究动机与目标

• 研究Cd₃As₂单晶中超高迁移率的起源。
• 理解拓扑保护在抑制电子反向散射中的作用。
• 探索狄拉克半金属中输运性质的磁场依赖性。
• 确定所观测到的磁阻是否违反传统的标度定律（如柯勒规则）。

提出的方法

• 在低温下测量高质量Cd₃As₂单晶的电输运性质。
• 施加磁场以探测反向散射保护的破坏。
• 比较输运寿命与量子寿命，以量化散射的抑制程度。
• 分析磁阻行为以检验是否符合柯勒规则。
• 利用角分辨光电子能谱数据确认狄拉克半金属态。
• 对磁场下费米面变化的理论解释，作为观测到的磁阻的成因。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cd₃As₂在低温下表现出超高迁移率的原因是什么？
• RQ2 狄拉克半金属能带结构中的拓扑保护如何抑制电子反向散射？
• RQ3 为何Cd₃As₂中的磁阻表现出违反柯勒规则的线性场依赖性？
• RQ4 外加磁场如何破坏反向散射保护机制？
• RQ5 磁场下费米面的何种变化可解释观测到的输运异常？

主要发现

• 在低于4 K的温度下，Cd₃As₂表现出超过10⁷ cm²/Vs的电子迁移率，表明其电子输运质量极为优异。
• Cd₃As₂中的输运寿命比量子寿命长逾10⁴倍，证明了反向散射受到强烈抑制。
• 反向散射的抑制归因于狄拉克半金属能带结构中固有的拓扑保护。
• 外加磁场会破坏这种保护，导致出现巨大的线性磁阻，且违反柯勒规则。
• 所观测到的磁阻行为可能源于磁场诱导的费米面拓扑结构变化。