新加坡國立大學Hyunsoo Yang課題組Nat. Commun.:通過費米面拓撲和凸面形成的非線性磁輸運

【引言】

層狀過渡金屬二硫化物是一類新興的物質，具有新的物理性質和廣泛的潛在應用。其中，半金屬鎢二碲化物（WTe₂）具有出極大且不飽和的磁阻（MR），這歸因于其具有完美補償電子和空穴的費米表面。目前為止，在WTe₂中研究的MR主要出現在線性區域中，并且缺乏對電流依賴的非線性磁阻的探索。在這種情況下，最近在極性半導體和具有自旋動量鎖定帶的拓撲絕緣體中發現了與所施加的電場和磁場線性成比例的非線性磁阻（NLMR），并且引起了凝聚態物理方向的研究興趣。在WTe₂中，大的自旋軌道耦合（SOC）和破壞的反轉對稱性提升了自旋簡并性，這個現象可以在自旋和角度分辨光電子能譜（ARPES）中觀察到。利用較大的SOC和較低的結晶對稱性，WTe₂最近被證明是一種自旋源，用于產生相鄰磁性材料的平面外阻尼轉矩。為了進一步探索WTe₂中自旋極化帶的分支，以及它們與結構豐富的費米表面的相互作用，作者詳細研究了自旋相關的非線性磁轉運。

WTe₂表現出對溫度非常敏感的性質，這是低溫下近乎完美的載流子補償和~160K的空穴抑制Lifshitz躍遷的綜合結果。因此，如ARPES所揭示的，小的溫度變化引起費米表面的基本變化。 此外，WTe₂在~70 K時經歷了從Weyl到拓撲平凡半金屬的拓撲過渡。雖然對費米表面的理解對于探索和解釋許多物理現象（例如振蕩交換耦合或超導性）是至關重要的，但目前對他的研究還是很有限的。因為具有十分豐富且易于調節的費米表面，WTe₂為研究這些問題提供了絕佳平臺。

【成果簡介】

近日，新加坡國立大學Hyunsoo Yang課題組報道了WTe₂中電流相關的NLMR現象，其與施加的電流和磁場的第一功率成比例。這與迄今為止以WTe₂為特征的傳統（線性）MR形成了鮮明對比，WTe₂在磁場中是電流無關或二次的關系。有趣的是，NLMR顯示出溫度驅動的反轉和沿不同晶軸的顯著各向異性。 實驗結果通過理論建模定性復制，該理論建模將從頭算帶結構計算與磁響應的半經典計算相結合。計算表明，自旋極化電子結構隨著磁場變化，產生了自旋相關NLMR。 此外，作者確定NLMR的反轉源于費米輪廓從凸面到凹面的轉變，而巨大的各向異性是由于費米面的低對稱性。因此，我們在此建立了費米表面拓撲，凸性和非線性磁輸運響應之間的密切關系。 這些結果還表明，費米能級的微調對于控制半金屬中的非線性磁輸運是至關重要的。該成果以題為“Nonlinear Magnetotransport Shaped by Fermi Surface Topology and Convexity”發表在Nat. Commun.上。

【圖文導讀】

Figure 1.WTe₂中的晶體和能帶結構以及非線性磁轉運

(a).晶體結構

(b).計算得到的能帶結構

(c).費米表面示意圖

(d).電阻率的溫度依賴

(e).霍爾桿裝置的光學圖像

(f).MR的測量示意圖

Figure 2.WTe₂中具有溫度驅動反轉的非線性磁阻

(a).角度依賴的二次諧波電阻

(b,c).電流和磁場依賴的正弦振幅

(d).正弦振幅隨溫度的變化

(e).三種溫度下霍爾電阻的場依賴性

(f).n_e和n_h的溫度依賴

Figure 3.非線性磁阻的晶體各向異性

(a).圓形霍爾桿裝置的光學圖像

(b).通道電阻率的溫度依賴性

(c,d).非線性磁阻的溫度依賴性

Figure 4.非線性充電電流和費米面的理論計算

【小結】

在這個工作中，作者報道了半金屬WTe₂中室溫下的非線性磁阻現象，其中有一個有趣的溫度驅動反轉。 理論計算重現了非線性傳輸測量，并認為這種反轉歸因于費米表面凸度的溫度誘導變化。WTe₂中的非線性磁阻具有較大的各向異性，這是由于其費米面的低對稱性所造成的。實驗和理論計算之間的良好一致性揭示了費米表面拓撲和凸性對非線性磁響應的巨大影響。

Nonlinear Magnetotransport Shaped by Fermi Surface Topology and Convexity

(Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-09208-8)

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。 ?

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。 ?

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu，我們會邀請各位老師加入專家群。