拓扑半金属ZrSiSe中面内霍尔效应的研究

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拓扑绝缘体和拓扑半金属是近年来被广泛研究的新型量子材料。由于拓扑绝缘体中表面态自旋动量锁定特性,当电子经过边界上非磁性杂质时,背散射会被禁止,即表面态是受拓扑保护的,这对于新一代低耗散电子器件的研制和设计具有重要意义,特别是近年来通过在拓扑绝缘体中引入磁性的努力,以实现量子化版本的反常霍尔效应,即量子反常霍尔效应,是目前彻底解决芯片发热问题较为可行的方案。拓扑半金属体相拥有线性的能带结构,理论上可以规避拓扑绝缘体体相贡献造成的表面态信号弱的缺点,因此更加有利于对无质量狄拉克费米子输运的研究。笔者在攻读硕士学位期间,选择了拓扑半金属ZrSiSe,在介观器件中观测到了面内霍尔效应并对其来源进行了探究。借助微加工技术,在ZrSiSe纳米片中观测到了SdH振荡及面内霍尔效应。在温度2K下,振荡自磁场为5T开始起振,至最高场14T时,磁阻达到4000%。快速傅里叶变换(FFT)给出振荡频率为210T,与块体的结果一致,并在115T附近,额外观察一个较小的振荡峰,表明存在多个费米口袋。拟合得到载流子有效质量为0.138)0。实验结果表明,尽管ZrSiSe中观测到的面内霍尔效应及各向异性磁电阻符合手性反常理论公式,但作为手性反常存在的必要条件——负磁阻,并没有出现。而且,以磁场和电流方向夹角作为参数,Rxx-Rxy的关系曲线呈现为随磁场大小而变化的一系列非同心圆,这与理论中手性反常主导体系系统中的结果矛盾。由此,我们排除了手性反常作为其面内霍尔效应起源的可能,并进一步提出各向异性磁电阻才是其来源。进一步的公式推导表明,对于普通的导体,只要平面磁场的引入产生了各向异性磁电阻,面内霍尔效应总能被观察到。综上,当PHE和AMR同时被观察到时,才能进一步判断系统中是否存在手性反常。
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