Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 2 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Linear dispersion of dirac fermions in a single crystal of a solid solution (Cd1-x-yZnxMny)3As2 composition x = 0.29, y = 0.01

V.S. Zakhvalinskii1, A.V. Borisenko1, A.V. Mashirov2, A.V. Kochura3, M.N. Yapryntsev4

1 Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia
2 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
3 Southwestern State University, Kursk, Russia
4 Center for Collective Use "Technologies and Materials" of the Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.2.15 UDC 539.21 EDN KFUZTD

Abstract

The value of the effective mass mc(0)/m0 is determined in single crystals of a solid solution (Cd0.7Zn0.29Mn0.01)3As2 according to the results of a study of Shubnikov-de Haase oscillations in a transverse magnetic field. We compared the Shubnikov and Hall parameters of charge carriers. We have found a weak dependence of the cyclotron mass on the magnetic field. We determined the concentration of charge carriers, n2d , the mobility of charge carriers, µ2d , and the thickness of the 2D surface layer. We have determined the value of the Dingle temperature TD = 34.6 K. We have established that the dependence of the cyclotron mass mc(0)/m0 on the Fermi wave vector kF , obtained from experimentally observed Shubnikov-de Haase oscillations, agrees well with the linear dependence predicted by the theory and indicates the presence of Dirac fermions with zero effective mass in single crystals (Cd0.7Zn0.29Mn0.01)3As2. The Hall resistance oscillations are presumably caused both by the nonequipotency of the probes and by the manifestation of the quantum Hall effect in the 2D layer.

  • Shubnikov-de Haase effect
  • Massless Dirac fermions
  • Cyclotron mass
  • cadmium arsenide
Аннотация (на русском)

Линейная дисперсия дираковских фермионов в монокристаллах твёрдого раствора (Cd1-x-yZnxMny)3As2 при x = 0.29, y = 0.01

В монокристаллах твёрдого раствора (Cd1-x-yZnxMny)3As2 состава x = 0.29, y = 0.01 по результатам исследования осцилляций Шубникова-де Гааза в поперечном магнитном поле определено значение эффективной массы m c(0)/ m 0, проведено сравнение шубниковских и холловских параметров носителей заряда. Наблюдалась слабая зависимость циклотронной массы от магнитного поля. Были определены концентрация носителей заряда, n2d , подвижность носителей заряда, µ2d , и толщина поверхностного 2D-слоя. Определено значение температуры Дингля TD = 34.6 К. Было установлено, что полученная из экспериментально наблюдаемых осцилляций Шубникова-де Гааза зависимость циклотронной массы m c(0)/ m 0 от волнового Ферми вектора kF хорошо согласуется с предсказанной теорией линейной зависимостью и указывает на присутствие в монокристаллах (Cd1-x-yZnxMny)3As2 состава x = 0.29, y = 0.01 дираковских фермионов с нулевой эффективной массой. Осцилляции сопротивления Холла предположительно вызваны одновременно как неэквипотенциальностью зондов, так и проявлением в 2D-слое квантового эффекта Холла.

For citation

Zakhvalinskii V.S., Borisenko A.V., Mashirov A.V., Kochura A.V., Yapryntsev M.N. Linear dispersion of dirac fermions in a single crystal of a solid solution (Cd1-x-yZnxMny)3As2 composition x = 0.29, y = 0.01 // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.2.15

References

  1. Wang Z. et al. Three-dimensional Dirac semimetal and quantum transport in Cd3As2 //Physical Review B-Condensed Matter and Materials Physics. - 2013. - Т. 88. - №. 12. - С. 125427. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.125427
  2. Borisenko S. et al. Experimental realization of a three-dimensional Dirac semimetal //Physical review letters. - 2014. - Т. 113. - №. 2. - С. 027603. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.027603
  3. Liu Z. K. et al. Discovery of a three-dimensional topological Dirac semimetal, Na3Bi //Science. - 2014. - Т. 343. - №. 6173. - С. 864-867. https://doi.org/10.1126/science.124508
  4. Xu G. et al. Chern semimetal and the quantized anomalous Hall effect in HgCr 2 Se 4 //Physical review letters. - 2011. - Т. 107. - №. 18. - С. 186806. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.186806
  5. Walowski J., Münzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics //Journal of Applied Physics. - 2016. - Т. 120. - №. 14. https://doi.org/10.1063/1.4958846
  6. Galeeva A. V. et al. Electron energy relaxation under terahertz excitation in (Cd1- xZnx) 3As2 Dirac semimetals //Beilstein Journal of Nanotechnology. - 2017. - Т. 8. - №. 1. - С. 167-171. https://doi.org/10.3762%2Fbjnano.8.17
  7. Zakhvalinskii V. S. et al. Anomalous cyclotron mass dependence on the magnetic field and Berry's phase in (Cd1- x- yZnxMny) 3As2 solid solutions //Journal of Physics: Condensed Matter. - 2017. - Т. 29. - №. 45. - С. 455701. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8bdb
  8. Ivanov O. et al. Asymmetry and parity violation in magnetoresistance of magnetic diluted Dirac-Weyl semimetal (Cd0. 6Zn0. 36Mn0. 04) 3As2 //physica status solidi (RRL)-Rapid Research Letters. - 2018. - Т. 12. - №. 12. - С. 1800386. https://doi.org/10.1002/pssr.201800386
  9. Rancati A. et al. Impurity-induced topological phase transitions in Cd 3 As 2 and Na 3 Bi Dirac semimetals //Physical Review B. - 2020. - Т. 102. - №. 19. - С. 195110. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.195110
  10. Šmejkal L., Jungwirth T., Sinova J. Route towards Dirac and Weyl antiferromagnetic spintronics //physica status solidi (RRL)-Rapid Research Letters. - 2017. - Т. 11. - №. 4. - С. 1700044. https://doi.org/10.1002/pssr.201700044
  11. Fukami S., Lorenz V. O., Gomonay O. Antiferromagnetic spintronics //Journal of Applied Physics. - 2020. - Т. 128. - №. 7. https://doi.org/10.1063/5.0023614
  12. Маренкин С. Ф., Трухан В. М. Фосфиды, арсениды цинка и кадмия //Минск: Вараскин. - 2010.
  13. Arushanov E. K. Crystal growth and characterization of II3V2 compounds //Progress in crystal growth and characterization. - 1980. - Т. 3. - №. 2-3. - С. 211-255. https://doi.org/10.1016/0146-3535(80)90020-9
  14. Ril A. I. et al. Phase equilibria in the CdAs 2-Cd 3 As 2-MnAs ternary system //Russian Journal of Inorganic Chemistry. - 2017. - Т. 62. - С. 976-986. https://doi.org/10.1134/S0036023617070191
  15. Marenkin S. F. et al. Formation of the α''-phase and study of the solubility of Mn in Cd3As2 //Journal of Alloys and Compounds. - 2022. - Т. 892. - С. 162082. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162082
  16. Zakhvalinskii V. S. et al. Linear dispersion of Dirac fermions in (Cd1-x-yZnxMny) 3As2, х+ y= 0.2, у= 0.02, 0.04, 0.06, 0.08 solid solutions //Physica Scripta. - 2021. - Т. 96. - №. 12. - С. 125856. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ac3873
  17. Редько Н. А., Каган В. Д., Волков М. П. Квантовые осцилляции сопротивления и коэффициента Холла и квантовый предел в сплавах Bi 0.93 Sb 0.07 в магнитном поле вдоль тригональной оси //Физика твердого тела. - 2011. - Т. 53. - №. 9. - С. 1718-1726. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/1548
  18. Borisenko S. et al. Experimental realization of a three-dimensional Dirac semimetal //Physical review letters. - 2014. - Т. 113. - №. 2. - С. 027603. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.027603
  19. Zakhvalinskii V. et al. Two-Dimensional Surface Topological Nanolayers and Dirac Fermions in Single Crystals of the Diluted Magnetic Semiconductor (Cd1- x- y Zn x Mn y) 3As2 (x+ y= 0.3) //Crystals. - 2020. - Т. 10. - №. 11. - С. 988. https://doi.org/10.3390/cryst10110988
  20. Novoselov K. S. et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene //nature. - 2005. - Т. 438. - №. 7065. - С. 197-200. https://doi.org/10.1038/nature04233
  21. Lahoud E. et al. Evolution of the Fermi surface of a doped topological insulator with carrier concentration //Physical Review B-Condensed Matter and Materials Physics. - 2013. - Т. 88. - №. 19. - С. 195107. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.195107
  22. Lawson B. J. et al. Quantum oscillations in Cu x Bi 2 Se 3 in high magnetic fields //Physical Review B. - 2014. - Т. 90. - №. 19. - С. 195141. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.195141
  23. Lawson B. J., Hor Y. S., Li L. Quantum oscillations in the topological superconductor candidate Cu 0.25 Bi 2 Se 3 //Physical Review Letters. - 2012. - Т. 109. - №. 22. - С. 226406. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.226406
  24. Zakhvalinskii V. S. et al. Transport evidence of mass-less Dirac fermions in (Cd1- x- yZnxMny) 3As2 (x+ y= 0.4) //Materials Research Express. - 2020. - Т. 7. - №. 1. - С. 015918. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab688b