[論文レビュー] Charge Density Waves and Axion Strings from Weyl Semimetals

Zhong Wang, Shengbai Zhang|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、3次元ウェイル半金属におけるヘリカル対称性の破れから生じる電荷密度波（CDW）が、トポロジカルな欠損としてのアキソンストリングを実現すると提案している—具体的には、CDW秩序のねじれ欠陥や端欠陥として現れる。これらのアキソンストリングは、ギャップのないヘリカルモードを有し、エネルギー散逸のない輸送を可能にし、CDW位相モードがトポロジカルなθE·B項を通じて電磁場と結合するアキソンとして特定される。

ABSTRACT

We study dynamical instability and chiral symmetry breaking in three dimensional Weyl semimetals, which turns Weyl semimetals into insulators. Charge density waves (CDW) is found to be the natural consequence of the chiral symmetry breaking. The phase mode of this charge density wave state is identified as the axion, which couples to electromagnetic field in the topological $ heta{\bf E}\cdot{\bf B}$ term. One of our main results is that the can be realized as the (screw or edge) dislocations in the charge density wave, which provides a simple physical picture for the elusive axion strings. These axion strings carry gapless chiral modes, therefore they have important implications for dissipationless transport properties of Weyl semimetals with broken symmetry.

研究の動機と目的

• 3次元ウェイル半金属における動的不安定性およびヘリカル対称性の破れを調査すること。
• ヘリカル対称性の破れから生じる顕在的なトポロジカルな秩序パラメータを特定すること。
• 電荷密度波の位相モードが電磁場と結合するアキソン場として特定されること。
• アキソンストリングがCDW構造内の欠陥として物理的に実現可能であることを確立すること。
• アキソンストリングがギャップのないヘリカルモードを有する場合の輸送的影響を調査すること。

提案手法

• ヘリカル対称性の破れ下でのウェイル半金属の有効場理論を分析し、電荷密度波の出現を導出すること。
• CDWの位相モードを、トポロジカルなθE·B項を通じて電磁場と結合するアキソン場として同定すること。
• CDW秩序パラメータ内のトポロジカル欠損を、特にねじれ欠陥や端欠陥としてモデル化することで、アキソンストリングにマッピングすること。
• トポロジカル場理論を用いて、アキソンストリングがヘリカル異常のおかげでギャップのないヘリカルモードを支持することを示すこと。
• ヘリカル異常およびベリー位相形式を適用し、アキソンストリング上でのヘリカルエッジモードの頑健性を説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウェイル半金属におけるヘリカル対称性の破れは、どのように電荷密度波の形成に繋がるか？
• RQ2 CDW位相モードは、凝縮系におけるアキソン場を実現するために果たす役割は何か？
• RQ3 破れた対称性状態を示すウェイル半金属において、アキソンストリングはどのように物理的に実現可能か？
• RQ4 この文脈におけるアキソンストリングのトポロジカル的および輸送的性質は何か？
• RQ5 ギャップのないヘリカルモードはどのようにアキソンストリング上に出現し、エネルギー散逸のない輸送にどのような影響を与えるか？

主な発見

• ウェイル半金属におけるヘリカル対称性の破れは、自然に電荷密度波（CDW）の基底状態を生じる。
• CDWの位相モードは、トポロジカルなθE·B項を通じて電磁場と結合するアキソン場として特定される。
• アキソンストリングは、CDW内のトポロジカル欠損として出現し、具体的には電荷密度調制内のねじれ欠陥や端欠陥として現れる。
• これらのアキソンストリングは、ヘリカル異常およびトポロジカル保護のおかげで、頑健でギャップのないヘリカルモードを有する。
• これらのヘリカルモードの存在は、ヘリカル対称性が破れたウェイル半金属におけるエネルギー散逸のない輸送に顕著な影響を及ぼすことを示唆する。
• 本系は、アキソンの凝縮系アナログを実現しており、アキソンストリングはこの難解なトポロジカル対象を欠陥に基づいて実体化する明確な方法を提供する。