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Fermi surface topology and magnetization investigated by magnetic quantum oscillations

자기 양자 진동을 통한 페르미 면의 위상 및 자성 탐구,

이상언 (Sang-Eon Lee, 서강대학교 일반대학원)

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The analysis of magnetic quantum oscillations (MQOs) is a beautiful tool for investigating Fermi surface properties, which are directly related to the conducting properties of materials. With the rising concern of topology in condensed matter physics, the Fermi surface topology defined by the Berry ...
The analysis of magnetic quantum oscillations (MQOs) is a beautiful tool for investigating Fermi surface properties, which are directly related to the conducting properties of materials. With the rising concern of topology in condensed matter physics, the Fermi surface topology defined by the Berry phase has been investigated by the phase analysis of MQOs in various materials, including graphene, topological insulator, and topological semimetals. However, the phase of MQOs is also related to the phase accumulation from the spin and orbital magnetic moment, as well as the Berry phase. Furthermore, a distinct methodology should be used for the degenerate Fermi surface. Considering these facts, the method that the orbit topology can be verified from the phase of MQOs is studied. The MQOs of massive Dirac semimetal NbSb2 are measured with the varying direction of the magnetic field, and the orbit topology is successfully determined by careful analysis of the phase of MQOs. On the other hand, despite the phase of MQOs being a direct measurement of the Fermi surface magnetization, studying Fermi surface magnetization with MQOs has rarely been attempted. By comparing the MQOs of Bi-doped (nonmagnetic) and Fe-doped NbSb2 (magnetic), the Fermi surface magnetization introduced by Fe ions is investigated. The effect of inhomogeneity is also studied by measuring the MQOs of inhomogeneously Cr-doped NbSb2. I hope that a more comprehensive understanding and more widespread use of MQOs are achieved by this study.
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자기 양자 진동의 관측 및 분석은 물질의 전도 특성과 직접적인 관련이 있는 페르미 면을 탐구할 수 있는 훌륭한 방법이다. 최근 응집물질물리 분야에서 위상(topology)에 대한 관심이 높아지면서, 자기 양자 진동의 베리 위상(Berry phase) 분석법은 그래핀, 위상 절연체, 위상 반금속 등 다양한 물질에 적용되어져 왔다. 하지만 자기 양자 진동의 위상은 베리 위상만을 나타내는 것이 아니라 궤도 자기 모멘트와 스핀 자기 모멘트에 의한 위상 축적에도 영향을 받는다. 또한 페르미 면이 축퇴(degenerate)된 경우는 그렇지 않...
자기 양자 진동의 관측 및 분석은 물질의 전도 특성과 직접적인 관련이 있는 페르미 면을 탐구할 수 있는 훌륭한 방법이다. 최근 응집물질물리 분야에서 위상(topology)에 대한 관심이 높아지면서, 자기 양자 진동의 베리 위상(Berry phase) 분석법은 그래핀, 위상 절연체, 위상 반금속 등 다양한 물질에 적용되어져 왔다. 하지만 자기 양자 진동의 위상은 베리 위상만을 나타내는 것이 아니라 궤도 자기 모멘트와 스핀 자기 모멘트에 의한 위상 축적에도 영향을 받는다. 또한 페르미 면이 축퇴(degenerate)된 경우는 그렇지 않은 경우와 구분되어 그에 맞는 분석법을 사용하여야 한다. 본 논문에서는 상술한 효과들에 의해 자기 양자진동의 위상이 어떻게 결정될지 이론적으로 검토하고, 이를 고려하여 궤도 위상(orbit topolgy)을 어떻게 실험적으로 검출할 수 있는지 탐구하였다. 질량이 있는 디락 반금속 NbSb2의 자기 양자 진동을 자기장의 각도를 바꾸어 가며 측정하고 그 위상을 세밀히 관측하여 궤도 위상을 밝혀내는데 성공하였다. 또한 자기 양자 진동의 위상은 페르미 면의 자성과 직접적인 관계가 있음에도 불구하고 자기 양자 진동을 통한 자성 관측은 거의 이루어지지 않았다. 본 논문에서는 ppm 단위의 비자성 원소 Bi와 자성 원소 Fe를 NbSb2에 도핑하여 자기 양자 진동을 비교함을 통해 자성 원소가 주는 페르미 면 자성을 관측하였다. 또한 추가적으로 비균질하게 Cr이 도핑된 NbSb2의 자기 양자 진동을 분석함으로써 비균질성이 자기 양자 진동에 어떻게 영향을 주는지 탐구하였다. 본 연구를 통해 자기 양자 진동이 더 올바르게 이해되고 더 많은 물리량과 관계지어져 효율적으로 사용되어지길 바란다.