Massive Dirac Fermions and Strong Shubnikov-de Haas Oscillations in Topological Insulator Sm,Fe:Bi2Se3 Single Crystals
Weiyao Zhao, Chi Xuan Trang, Qile Li, Lei Chen, Zengji Yue, Abdulhakim Bake, Cheng Tan, Lan Wang, Mitchell Nancarrow, Mark Edmonds, David Cortie, Xiaolin Wang
该研究在 Bi2Se3 单晶中采用 Sm 与 Fe 共掺杂，实现铁磁序、44 meV 表面带隙和高迁移率下的强 SdH 振荡，为 QAHE 与有质量 Dirac 费米子器件提供路径。
摘要：
拓扑绝缘体（TI）是一类具有独特能带结构的新兴材料，使人们能够研究固体中的量子效应，并有助于实现高性能量子器件。为了获得更好的 TI 性能，本文提出一种共掺杂策略，在 Bi2Se3 单晶中协同使用稀土 Sm 掺杂剂和过渡金属 Fe 掺杂剂，从而兼具过渡金属掺杂 TI（高铁磁有序温度且已观测到 QAHE）与稀土掺杂 TI（大磁矩和显著自旋轨道耦合）的优势。在原生单晶中观察到了铁磁有序的明确证据。角分辨光电子能谱表明，铁磁性在表面 Dirac 点处打开了一个 44 meV 的带隙。此外，3 K 下的载流子迁移率约为 7400 cm²/Vs，因此我们在纵向电阻率中观测到超强 Shubnikov-de Haas 振荡，并在低于 14 T 时于横向电阻率中观测到 Hall 台阶。我们的输运和角分辨光电子能谱结果表明，在 Bi2Se3 体系中进行稀土与过渡金属共掺杂，是实现量子反常 Hall 效应以及在电子器件中利用有质量 Dirac 费米子的一条有前景途径。
英文摘要：
Topological insulators (TIs) are emergent materials with unique band structure, which allow the study of quantum effect in solids, as well as contribute to high performance quantum devices. To achieve the better performance of TI, here we present a co-doping strategy using synergistic rare-earth Sm and transition-metal Fe dopants in Bi2Se3 single crystals, which combine the advantages of both transition metal doped TI (high ferromagnetic ordering temperature and observed QAHE), and rare-earth doped TI (large magnetic moments and significant spin orbit coupling). In the as-grown single crystals, clear evidences of ferromagnetic ordering were observed. The angle resolve photoemission spectroscopy indicate the ferromagnetism opens a 44 meV band gap at surface Dirac point. Moreover, the carrier mobility at 3 K is ~ 7400 cm2/Vs, and we thus observed an ultra-strong Shubnikov-de Haas oscillation in the longitudinal resistivity, as well as the Hall steps in transverse resistivity below 14 T. Our transport and angular resolved photoemission spectroscopy results suggest that the rare-earth and transition metal co-doping in Bi2Se3 system is a promising avenue implement the quantum anomalous Hall effect, as well as harnessing the massive Dirac fermion in electrical devices.
Shubnikov de Haas (SdH) Oscillation in Self-Flux Grown Rhombohedral Single Crystalline Bismuth
20世纪50年代末，J.S. Dhillon和D.本文通过铋晶体的单晶相，重新讨论了纯铋和锌金属中的Shoenberg，这是根据Shubnikov de Haas振荡预测的电阻率观察到的。横向磁场振荡的发生证实了费米面的存在。采用固相反应法在优化的热处理条件下生长了铋单晶，并通过XRD、SEM和EDAX等分析手段确认了铋单晶的纯度和结构相。
Role of Se vacancies on Shubnikov de Haas oscillations in Bi2Se3: a combined magneto-resistance and positron annihilation study
磁电阻测量加上正电子寿命测量，以表征空位型缺陷，已进行了拓扑绝缘体（TI）系统Bi 2 Se 3，不同的Se/Bi的比例。在4 K至10 K温度范围内，在高达15 T的磁场中进行测量时，在标称Bi2Se3.1晶体中观察到明显的Shubnikov de Haas（SdH）振荡，磁场垂直于晶体的（001）平面。量子振荡，二维电子结构的特征，被认为只有在晶体中，具有较低浓度的硒空位，从正电子湮没光谱推断。
Pressure-induced phase switching of the Shubnikov de Haas oscillations in molecular Dirac fermion system $α-$(BETS)$_{2}$I$_{3}$
本文报道了1.7 K时准二维分子导体$α-$（BETS）$_{2}$ I $_{3}$ [BETS：bis（ethylenedithio）tetraselenafulvalene]在聚酰亚胺薄膜上的Shubnikov de Haas（SdH）振荡。从SdH相因子，我们实验验证了该材料在压力下是在狄拉克费米子相。$α-$（BETS）$_{2}$ I $_{3}$处于强关联绝缘相和狄拉克费米子相之间的相变附近，是常压分子狄拉克费米子系统的可能候选者。然而，SdH振荡表明，Berry相在环境压力下为零。在压力下，当金属-绝缘体交叉几乎被抑制在$\sim$ 0.5 GPa时，出现$π$ Berry相。结果对比的先驱分子狄拉克费米子系统$α-$（BEDT-TTF）$_{2}$ I $_{3}$ [BEDT-TTF：双（亚乙基二硫代）四硫富瓦烯]狄拉克费米子和半导体行为同时观察。
FIB synthesis of Bi2Se3 1D nanowires demonstrating the co-existence of Shubnikov-de Haas oscillations and linear magnetoresistance
自从拓扑绝缘体（TI）被发现以来，人们对金属表面态及其对背散射的屏蔽特性以及通过制备纳米器件来研究其纳米尺度下的性质产生了极大的兴趣。在这里，我们解决了一个重要的科学问题，有关TI是否可以清楚地证明拓扑表面状态（TSS）的鲁棒性存在的障碍，不打破任何基本的对称性。FIB研磨的简单直接的方法被用来合成Bi 2Se 3的纳米线，我们认为这是一个有趣的路线来测试TSS的鲁棒性，并获得的结果是新的相比，许多早期的论文在TI的量子传输证明金属SS的镓掺杂的鲁棒性。在垂直磁场作用下，我们观察到了Shubnikov de Haas振荡和线性磁电阻的共存，并对不同沟道长度下的线性磁电阻进行了系统的研究。这里所示的传输特性和估计的物理参数表明SS的制造工具的鲁棒性，触发灵活性，以探索新的奇异量子现象在纳米器件水平。
Bulk Fermi surface coexistence with Dirac surface state in Bi$_2$Se$_3$: a comparison of photoemission and Shubnikov-de Haas measurements
Shubnikov de Haas（SdH）振荡和角分辨光电子能谱（ARPES）被用来探测Bi 2Se 3单晶的费米面。我们发现，SdH和ARPES探针定量同意测量的有效质量和散装带色散。在高载流子密度的样品中，两个探针也同意在费米能级EF的确切位置，但对于较低的载流子密度的样品的差异出现在EF的位置。特别是，SdH揭示了载流子密度低至10^17cm-3的样品的体三维费米表面。我们提出了一个简单的机制来解释这些差异，并讨论了现有的和未来的拓扑绝缘体输运研究的后果。
Shubnikov-de Haas oscillations from topological surface states of metallic Bi$_2$Se$_{2.1}$Te$_{0.9}$
研究了p型金属Bi $_2$ Se $_{2.1}$ Te $_{0.9}$电导率的量子振荡。的依赖关系的振荡的角度上的磁场与表面以及确定的Berry相位从朗道水平风扇图表明，所观察到的振荡产生的表面载流子的特性狄拉克色散。表征表面导电的几个量计算采用Lifshitz-Kosevich理论。相对于狄拉克点的费米能的低值与体空穴载流子的金属特性是一致的。我们的结论是，由于特殊的形状的价带，Shubnikov-de Haas振荡的散装载流子被转移到更高的磁场，这允许检测的量子振荡的拓扑表面态在较低的字段。
Field-dependent Shubnikov-de Haas oscillations in ferromagnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2
本文报道了高质量铁磁Weyl半金属Co $_3$ Sn $_2$ S $_2$单晶中Shubnikov-de Haas振荡的研究。在我们的实验中解决的费米表面是三维的，反映了一个潜在的三角晶体对称性。结合密度泛函理论计算，我们确定，大多数的费米表面在系统中-电子和空穴的性质-产生强的能量色散的（自旋轨道间隙）镜保护的节环。我们观察到，一个平面内的磁场诱导费米面的连续演化，与场垂直于kagome晶格平面，这几乎没有影响。沿着系统的易轴各向异性，我们的观察揭示了Co $_3$ Sn $_2$ S $_2$的电子结构的演变-包括外尔点-与铁磁矩取向。通过对Co $_3$ Sn $_2$ S $_2$的实例研究，我们的结果提供了具体的实验证据，证明了在半金属和金属磁性拓扑系统中，磁性自由度和电子能带奇异性之间通过自旋轨道耦合的各向异性相互作用。
Shubnikov-de Haas oscillations of two-dimensional electron gases in AlYN/GaN and AlScN/GaN heterostructures
Cornell University（康奈尔大学）；Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF（弗劳恩霍夫应用固态物理研究所）；Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science（康奈尔纳米科学卡弗里研究所）
Fermi-surface studies of altermagnetic CrSb from Shubnikov-de Haas oscillations
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）；Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Universidad del Norte（北大学）
Magnetically tunable Shubnikov-de Hass oscillations in MnBi2Te4
在未掺杂的反铁磁拓扑绝缘体MnBi 2 Te 4中直接观察到了Shubnikov-de Hass振荡。随着磁场的增加，从倾斜反铁磁性到铁磁性的磁转变的振荡周期逐渐减小，然后在高磁场下达到饱和，表明能带结构的场致演化。从高场振荡的分析，一个非平凡的Berry相和一个小的有效质量提取，在铁磁MnBi 2 Te 4中预测的Weyl半金属相。此外，旋转MnBi 2 Te 4的磁化强度可以导致高场振荡的分裂，这表明在倾斜场中外尔锥的增强的不对称性。因此，这些磁可调量子振荡的观察清楚地表明，在调谐能带结构或MnBi 2 Te 4的物理性质的字段中不可或缺的作用。
