Electrical transport in nanostructures of the Weyl semimetal WTe₂

Autor: Labracherie, Valentin
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
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Druh dokumentu: Text<br />Doctoral Thesis
Popis: Recently, different studies on Weyl semimetals have shown some great potential for applications in spintronics. Indeed, spin-chiral Weyl nodes are perfect sources or sinks of the Berry curvature, which give new transport properties due to their topological nature, such as the chiral anomaly, and a large anomalous Hall response. Moreover, type-II Weyl semimetals, such as WTe2, have a specific band structure with tilted Weyl cones and overlapping electron/hole bands that can result in a perfect charge compensation and an extremely large magnetoresistance (XMR). Yet, in WTe2, Weyl nodes are usually located about 50 meV above the Fermi energy, a situation that questions the observation of both a large positive XMR and a negative magnetoresistance attributed to the chiral anomaly in some studies. In this work, we investigate the magneto-transport properties of WTe2 nanos- tructures obtained by different methods (mechanical exfoliation, chemical vapor transport), considering both the real electronic band structure and scattering by dis- order. Although the XMR amplitude also depends on charge mobilities, it is shown that the subquadratic response is not strongly influenced by the degree of disorder. Taking carrier densities infered from quantum oscillations into account, a three-band model explains this behavior by a large difference in hole mobilities, as confirmed by numerical simulations. At low temperatures and for small magnetic fields, an isotropic negative magneto-resistance is observed and attributed to a topological property of the band structure far away from the Weyl nodes. This new mechanism, different from the chiral anomaly, allows us to reproduce the experimental results by numerical calculations based on the real band structure of WTe2.
In den vergangenen Jahren haben verschiedene Untersuchungen von Weyl Halb- metallen gezeigt, dass sich diese sehr gut als Spintronische Geräte eignen. In der Tat sind die Spin-chiralen Weyl Quasiteilchen perfekte Quellen und Abflüsse der Berrykrümmung, was auf Grund ihrer topologischen Natur neue Transporteigen- schaften hervorruft, wie beispielsweise die chirale Anomalie und einen großen, anomalen Hall Effekt. Außerdem haben Typ II Weyl Halbmetalle wie WTe2 eine spezifische Bandstruktur mit gekippten Weylkegeln und überlappenden Elektronen-/Lochbändern, die dazu führen können, dass die Ladungsträgerkompensation ideal wird und ein sehr starker Magnetowiderstand (XMR) entsteht. Dennoch befinden sich die Weylknoten in WTe2 ca. 50 meV über dem Ferminiveau, eine Beobachtung die sowohl den starken positiven Magnetowiderstand, als auch den negativen Mag- netowiderstand, der meist mit der chiralen Anomalie in Verbindung gebracht wird, in Frage stellt. In dieser Arbeit untersuchen wir die Magnetotransporteigenschaften von WTe2 Nanostrukturen, die durch verschiedene Wachstumsarten hergestellt werden (mech- anische Exfoliation, chemische Gasphasenabscheidung), um sowohl die reale Band- struktur, als auch Streuung an Störstellen in Betracht ziehen zu können. Es wird gezeigt, dass der extrem große Magnetowiderstand nicht direkt vom Grad der Un- ordnung abhängt und dass das typisch subquadratische Verhalten im Rahmen eines Multibandmodells, was über das Zweibandmodell hinaus geht, verstanden wer- den kann und sich auch mit numerischen Simulationen bestätigt lässt. Bei tiefen Temperaturen und für kleine Magnetfelder kann ein isotropisch negativer Magne- towiderstand beobachtet werden, der der topologischen Eigenschaft der Bandstruk- tur weit weg von den Weylknoten geschuldet ist. Dieser neue Mechanismus, der sich von der chiralen Anomalie unterscheidet, erlaubt es uns die experimentellen Ergebnisse mit numerischen Berechnungen, die auf der realen Bandstruktur basieren, zu reproduzieren.
Récemment, différentes études sur les semimétaux de Weyl ont montré leur large potentiel pour des applications en spintronique. En effet, les noeuds de Weyl avec leur chiralité de spin sont des sources ou puits parfaits de la courbure de Berry, ce qui peut conduire à de nouvelles propriétés de transport, dues à la nature topologique de la structure de bande, comme l’anomalie chirale et une large réponse liée à l’effet Hall anormal dit intrinsèque. De plus, les semimétaux de Weyl de type II, comme WTe2, ont une structure de bande particulière avec des cônes de Weyl inclinés et un chevauchement des bandes de trous et d’électrons qui résulte en une forte compensation de charge et une magnétorésistance extrêmement large (XMR) associée. Cependant, dans WTe2, les noeuds de Weyl se trouvent environ 50 meV au-dessus de l’énergie de Fermi, ce qui remet en cause la possibilité d’observer à la fois une XMR positive à fort champ et une magnétorésistance négative à champ faible due à l’anomalie chirale. Dans ce travail, nous étudions les propriétés de magnéto-transport de nanostructures WTe2 obtenues par différentes méthodes (exfoliation mécanique, transport en phase vapeur), avec des degrés de désordre microscopique différents, en considérant à la fois la structure de bande réelle du matériau et les processus de diffusion liés au désordre. Il est montré que la XMR présente un comportement subquadratique, qui peut être compris dans le cadre d’un modèle multi-bandes, au-delà de deux bandes, comme confirmé par des simulations numériques. A très basse température et faible champ magnétique, une magnétorésistance négative et isotrope est observée et attribuée à une propriété topologique de la structure de bandes loin des noeuds de Weyl. Ce nouveau mécanisme, différent de celui de l’anomalie chirale, nous permet de reproduire nos résultats expérimentaux par des simulations numériques basées sur la structure de bande réelle de WTe2.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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