Transport and magnetic properties in topological Weyl materials
In der Physik der kondensierten Materie ist ein topologischer Isolator (TI) eine Art von Quantenmaterie, die durch Topologie geschützt ist und einen isolierenden Bandlückenzustand im Inneren aufweist, während sie an der Oberfläche einen gaplosen Zustand aufweist. In einem topologischen Dirac-Halbmetall gibt es eine linear disperse Dirac-Kegelstruktur im metallischen Grenzzustand. In einem topologischen Weyl-Halbmetall hingegen gibt es eine gerade Anzahl von nicht entarteten Knotenpunkten mit einer bestimmten Chiralität. Die besonderen elektronischen Strukturen bestimmen die Transport- und magnetischen Eigenschaften von topologischen Isolatoren, was der Schlüssel für potenzielle Anwendungen ist. In dieser Dissertation untersuchen wir die Transport- und magnetischen Eigenschaften von WTe2 und Mn3Ge mittels magnetischem Mikrofabrikation und Drehmoment.
In WTe2, einem topologischen Weyl-Halbmetall mit gebrochener Parität-Symmetrie, wurde ein extrem großer Magnetowiderstand (XMR) beobachtet, und die elektrischen Eigenschaften einer Monolage können durch ein elektrostatisches Feld beeinflusst werden. In dieser Arbeit haben wir den XMR und die quantenmechanischen Oszillationen in der berichteten planaren Konfiguration überprüft [1] und den MR in einer unikalen vertikalen Vorrichtung weiter untersucht. In dieser Konfiguration entdeckten wir einen negativen MR und Quantenschwingungen. Die XMR daten werden mit einem Zwei-Band-Modell verglichen, wobei die Elektronen- und Löcherdichten als ausgeglichen gefunden wurden. Der beobachtete negative MR wird als Zeichen der chiralen Anomalie betrachtet.
In Mn3Ge, einem topologischen Weyl-Halbmetall mit gebrochener Zeitinversionssymmetrie, zeigt sich einen sehr großer anomaler Hall-Effekt [2], vergleichbar mit dem von ferromagnetischem Material mit viel größerer spontaner Magnetisierung bekannten. Wir haben die magnetische Anisotropie in der Ebene und senkrecht dazu durch empfindliche Messungen des magnetischen Drehmoments charakterisiert. Die Hauptachse verläuft entlang und der magnetische Grundzustand hat eine sechszächlige Symmetrie, was mit den Beobachtungen der Kernmagnetresonanz übereinstimmt [3, 4].
Neben diesen Methoden wurden die Proben mit winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES), Feldeffektmessungen, und thermoelektrische Seebeck-Messungen untersucht. Die Mn3Ge-Proben wurden mit polierter Oberfläche und gespaltenen Oberflächen präpariert, um ihre elektronischen Strukturen zu beobachten. Außerdem wurden elektro-statische Abstimmungsmethoden untersucht, um die elektrischen Eigenschaften der 2D-Halbleiter zu beeinflussen. Darüber hinaus wurden thermoelektrische Messungen sowohl von massiven als auch von 2D-Materialien durchgeführt. Diese Techniken sind vielversprechend, um die Eigenschaften topologischer Weyl-Halbleiter in zukünftigen Forschungen zu untersuchen.
In condensed matter physics, a topological insulator (TI) is a kind of quantum matter, protected by symmetries, with an insulating gapped state in the bulk and a gapless state at the surface. In topological Dirac semimetals, there is a linearly dispersing Dirac cone represented in the metallic boundary state. While in topological Weyl semimetal, there are even numbers of nondegenerate nodes with a definite chirality. The unique electronic structures determine the transport and magnetic properties of topological insulators, which are key factors in their potential applications. In this thesis, we investigate the transport and magnetic properties of WTe2 and Mn3Ge by microfabrication and magnetic torque.
In WTe2, a topological Weyl semimetal with broken parity symmetry, an extremely large magnetoresistance (XMR) is observed and the electrical properties of monolayer can be tuned by electrostatic field. In this work, we checked the XMR and quantum oscillations in the planar configuration reported in the literature [1], and further investigated the MR in a unique vertical device. In this configuration, we discovered a negative MR and quantum oscillations. The XMR are compared with two-band model, the electron and hole densities are found to be compensated. The observed negative MR is considered a signature of the chiral anomaly.
In Mn3Ge, a topological Weyl semimetal with broken time reversal symmetry, a very large anomalous Hall effect is observed [2], comparable to that of ferromagnetic materials with much larger spontaneous magnetization. We characterized the magnetic anisotropy in both the in-plane and out-of-plane directions by a sensitive magnetic torque measurement. The easy axis is along and the magnetic ground state exhibits a six-fold symmetry, in agreement to the observations of NMR [3, 4].
Other than these methods, angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES), field effect transistor (FET), and thermoelectric Seebeck measurement are also studied. The Mn3Ge samples were prepared in polished surface and cleaved surface to observe their electronic structures. Besides, electrostatic tuning methods were investigated in tuning the electrical properties of the 2D semiconductors. Moreover, thermoelectric measurements of both bulk and 2D materials were investigated. These techniques are promising in investigating the properties of topological Weyl semimetals in future research.