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Original title:
The longitudinal magnetoresistance of Weyl semimetals 
Translated title:
Der longitudinale Magnetwiderstand von Weyl Halbmetallen 
Year:
2019 
Document type:
Dissertation 
Institution:
Fakultät für Physik 
Advisor:
Hassinger, Elena (Prof. Dr.) 
Referee:
Hassinger, Elena (Prof. Dr.); Laubschat, Clemens (Prof. Dr.) 
Language:
en 
Subject group:
PHY Physik 
Keywords:
physics, condensed matter, metals, semimetals, magnetoresistance, chiral, topological, Weyl, Dirac, TaAs, NbAs, TaP, NbP, CoSb3, UBe13, longitudinal, transport, quantum limit, quantum oscillations, heavy fermion 
Translated keywords:
Physik, Festkörper, Metalle, Halbmetalle, Magnetowiderstand, chiral, topologisch, Weyl, Dirac, TaAs, NbAs, TaP, NbP, CoSb3, UBe13, longitudinal, transport, Quantenlimit, Quantenoszillationen, schwere Fermionen 
Abstract:
Weyl semimetals offer the experimental realisation of an abstract theoretical model, Weyl fermions. What is more, they allow for the study of effects which were so far thought to be accessible only in large scale high energy physics experiments in a simple piece of metal.

The bulk of this thesis experimentally investigates the longitudinal magnetoresistance of Weyl semimetals, searching for indications of a chiral anomaly in the longitudinal magnetotransport, i.e. when field and current are aligned. This investigation is done on members of the TaAs family, which consists of TaAs, TaP, NbAs and NbP.

Searching for the chiral anomaly in Weyl semimetals, the large transverse magnetoresistance had previously been found to cause strong current inhomogeneities, concealing the intrinsic longitudinal magnetoresistance, ρ zz. In this work, these artefacts are avoided by ensuring a homogeneous current injection. The experimental work is accompanied by simulations of the potential distribution in a sample with imperfect current contacts, aiding the interpretation of the experimental results. Also, the known band structure and Fermi energy is used to calculate the orbital longitudinal magnetoresistance to distinguish effects well explained by the 'trivial' band structure from those which are not. The c-axis transport is found to be fully dominated by orbital effects, while the a-axis longitudinal magnetoresistance in both niobium compounds and TaAs is not. Here, the non-monotonous magnetoresistance is attributed to weak localisation effects, which are larger than typically encountered in other materials. In conclusion, no clear indication of a chiral anomaly is found.

Two more projects are summarised. First, CoSb3 promised the opportunity for the investigation of a crossover from a trivial semiconductor into a topologically non-trivial material under strain. To find suitable samples, the influence of the growth method on the sample properties is investigated. While no suitable crystals for this experiment could be found, samples grown by a novel inclined rotary Bridgman method allowed for the study of a 3D isotropic electron gas in its quantum limit. The transport properties in fields up to 70 T are found to be consistent with an impurity scattering mediated mechanism, linking the transverse conductivity to the longitudinal one.

The second project on UBe13 is a contribution of measurements to solve a long standing question: This heavy-fermion superconductor mostly comes in a 'low'-Tc or a 'high'-Tc type. The two differ in their low-temperature properties, such as the superconducting critical temperature and specific heat. The difference could be traced to the incorporation of aluminium from the flux growth into the lattice, yielding the low-type variety. Annealing leads to aluminium diffusing out of the lattice, which changes the low-temperature properties to those of high-Tc samples. 
Translated abstract:
Weyl Halbmetalle machen ein abstraktes theoretisches Modell, Weyl Fermionen, zum ersten Mal experimentell zugänglich. Zudem erlauben sie, Effekte in einem Kristall zu Untersuchen, die man bisher lediglich in großen hochenergiephysikalischen Experimenten studieren konnte.

Der Großteil dieser Arbeit untersucht den longitudinalen Magnetotransport, d. h. unter paralleler Ausrichtung von Magnetfeld und Strom, von Weyl Halbmetallen der TaAs Familie (TaAs, TaP, NbAs, NbP) auf der Suche nach der chiralen Anomalie.

Bisherige Untersuchungen der chiralen Anomalie zeigten, dass Strominhomogenitäten den realen longitudinalen Magnetowiderstand, ρ zz, verschleiern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Artefakte durch vollflächige, homogene Stromkontakte weitestgehend verhindert. Flankiert wurde dies durch Berechnungen auf Basis des bekannten transversen Magnetwiderstands sowie der elektronischen Struktur: Zum einen erleichterte die Simulation des elektrischen Potentials innerhalb eine Probe mit imperfekten Kontakten die Interpretation der Ergebnisse. Zum anderen wurde der orbitale longitudinale Magnetwiderstand berechnet, womit sich 'triviale' Beiträge von chiralen unterscheiden lassen. Der Magnetotransport entlang der c-Achse zeigt sich vollständig Orbital dominiert, im Gegensatz zum a-Achsen Transport. Dieser meist nicht-monotone Magnetwiderstand wird schwachen Lokalisierungseffekten zugeschrieben, welche sich ausgeprägter zeigen als in anderen Systemen. Zusammenfassend ließen sich keine eindeutigen Anzeichen für chirale Beiträge finden.

Es folgt ein kurzer Abriss über zwei weitere Projekte, CoSb3 und UBe13. In CoSb3 wurde ein Übergang vom trivialen Halbleiter zu einem topologisch nicht-trivialen unter dem Einfluss einer Gitterverzerrung vorhergesagt. Auf der Suche nach geeigneten Proben wurde der Einfluss zweier Zuchtmethoden auf die elektronischen Eigenschaften untersucht. Hier stellten sich Kristalle die mittels eines neuartigen 'Inclined Rotary Bridgman' Verfahrens erzeugt wurden als Modellsystem für eine andere Fragestellung, die Untersuchung eines isotropen, dreidimensionalen Elektronengases in seinem Quantenlimit, heraus. Transportmessungen in hohen Magnetfeldern bis zu 70 T zeigten, dass sich die Eigenschaften durch ein Modell erklären lassen, in dem der transverse Transport stark vom Longitudinalen beeinflusst wird.

Das zweite Projekt befasst sich mit dem schwere Fermionen Supraleiter UBe13. Dieser zeigt sich in einer hoch und einer niedrig-Tc Variante, die sich in ihren elektronischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen unterscheiden. Dies wurde auf Einlagerungen des Aluminium Flusses zurückgeführt, welcher während der Einkristallzucht verwendet wird und die niedrig-Tc Ausprägung hervorruft. Durch thermisches Ausheilen diffundiert dieses aus dem Gitter und hinterlässt die hoch-Tc Variante. 
Oral examination:
01.07.2019 
File size:
22935459 bytes 
Pages:
147 
Last change:
12.07.2019