新加坡国立大学Hyunsoo Yang课题组Nat. Commun.:通过费米面拓扑和凸面形成的非线性磁输运

【引言】

层状过渡金属二硫化物是一类新兴的物质，具有新的物理性质和广泛的潜在应用。其中，半金属钨二碲化物（WTe₂）具有出极大且不饱和的磁阻（MR），这归因于其具有完美补偿电子和空穴的费米表面。目前为止，在WTe₂中研究的MR主要出现在线性区域中，并且缺乏对电流依赖的非线性磁阻的探索。在这种情况下，最近在极性半导体和具有自旋动量锁定带的拓扑绝缘体中发现了与所施加的电场和磁场线性成比例的非线性磁阻（NLMR），并且引起了凝聚态物理方向的研究兴趣。在WTe₂中，大的自旋轨道耦合（SOC）和破坏的反转对称性提升了自旋简并性，这个现象可以在自旋和角度分辨光电子能谱（ARPES）中观察到。利用较大的SOC和较低的结晶对称性，WTe₂最近被证明是一种自旋源，用于产生相邻磁性材料的平面外阻尼转矩。为了进一步探索WTe₂中自旋极化带的分支，以及它们与结构丰富的费米表面的相互作用，作者详细研究了自旋相关的非线性磁转运。

WTe₂表现出对温度非常敏感的性质，这是低温下近乎完美的载流子补偿和~160K的空穴抑制Lifshitz跃迁的综合结果。因此，如ARPES所揭示的，小的温度变化引起费米表面的基本变化。 此外，WTe₂在~70 K时经历了从Weyl到拓扑平凡半金属的拓扑过渡。虽然对费米表面的理解对于探索和解释许多物理现象（例如振荡交换耦合或超导性）是至关重要的，但目前对他的研究还是很有限的。因为具有十分丰富且易于调节的费米表面，WTe₂为研究这些问题提供了绝佳平台。

【成果简介】

近日，新加坡国立大学Hyunsoo Yang课题组报道了WTe₂中电流相关的NLMR现象，其与施加的电流和磁场的第一功率成比例。这与迄今为止以WTe₂为特征的传统（线性）MR形成了鲜明对比，WTe₂在磁场中是电流无关或二次的关系。有趣的是，NLMR显示出温度驱动的反转和沿不同晶轴的显着各向异性。 实验结果通过理论建模定性复制，该理论建模将从头算带结构计算与磁响应的半经典计算相结合。计算表明，自旋极化电子结构随着磁场变化，产生了自旋相关NLMR。 此外，作者确定NLMR的反转源于费米轮廓从凸面到凹面的转变，而巨大的各向异性是由于费米面的低对称性。因此，我们在此建立了费米表面拓扑，凸性和非线性磁输运响应之间的密切关系。 这些结果还表明，费米能级的微调对于控制半金属中的非线性磁输运是至关重要的。该成果以题为“Nonlinear Magnetotransport Shaped by Fermi Surface Topology and Convexity”发表在Nat. Commun.上。

【图文导读】

Figure1.WTe₂中的晶体和能带结构以及非线性磁转运

(a).晶体结构

(b).计算得到的能带结构

(c).费米表面示意图

(d).电阻率的温度依赖

(e).霍尔杆装置的光学图像

(f).MR的测量示意图

Figure2.WTe₂中具有温度驱动反转的非线性磁阻

(a).角度依赖的二次谐波电阻

(b,c).电流和磁场依赖的正弦振幅

(d).正弦振幅随温度的变化

(e).三种温度下霍尔电阻的场依赖性

(f).n_e和n_h的温度依赖

Figure3.非线性磁阻的晶体各向异性

(a).圆形霍尔杆装置的光学图像

(b).通道电阻率的温度依赖性

(c,d).非线性磁阻的温度依赖性

Figure4.非线性充电电流和费米面的理论计算

【小结】

在这个工作中，作者报道了半金属WTe₂中室温下的非线性磁阻现象，其中有一个有趣的温度驱动反转。 理论计算重现了非线性传输测量，并认为这种反转归因于费米表面凸度的温度诱导变化。WTe₂中的非线性磁阻具有较大的各向异性，这是由于其费米面的低对称性所造成的。实验和理论计算之间的良好一致性揭示了费米表面拓扑和凸性对非线性磁响应的巨大影响。

Nonlinear Magnetotransport Shaped by Fermi Surface Topology and Convexity

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

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