[論文レビュー] Detection of chiral anomaly and valley transport in Dirac semimetals

Cheng Zhang, Enze Zhang+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、平行な電場と磁場を印加することで、ディラック半金属Cd3As2におけるキラル異常およびバレー輸送を実験的に示した。負の磁気抵抗およびキラル不均衡を示す場に依存するカー効果の観測により、キラル不均衡が確認された。キラル不均衡に起因する非局所的バレー拡散は室温まで安定しており、トポロジカルなキラルフェルミオンの挙動を確認し、バレー電子工学デバイスへの新たな道筋を示した。

ABSTRACT

Chiral anomaly is a non-conservation of chiral charge pumped by the topological nontrivial gauge field. As an analogy to the similar phenomenon in high-energy physics, the chiral anomaly in condensed matter is predicted to exist in the emergent quasiparticle excitations in Dirac and Weyl semimetals. However, the current understanding of such concept mostly remains in the theoretical consideration, which lacks of convincing experimental identification. Here, for the first time, we experimentally observe the existence of the chiral anomaly and the related valley transport in Cd3As2. We find that the chiral imbalance induced by external electric and magnetic fields leads to a non-zero gyrotropic coefficient {\gamma}, which can be confirmed by the field-generated Kerr effect. By applying B along the current direction, we observe a negative magnetoresistance despite the giant positive one at other directions, a clear indication of the chiral anomaly. Remarkably, a robust nonlocal response from valley diffusion originated from the chiral anomaly is observed up to room temperature when B is parallel to E. Our discovery of the chiral anomaly in Cd3As2 Dirac semimetal opens up a brand-new route to understand its fundamental properties with a controllable chiral imbalance through external fields and utilize the chiral fermions in valleytronic applications.

研究の動機と目的

• ディラック半金属におけるキラル異常の実験的検証、これはこれまで理論的にのみ予想されていた現象である。
• 実際の物質系における測定可能な電磁気的応答を通じてキラル不均衡を同定すること。
• 外部電場および磁場の下でキラル異常に駆動されるバレー輸送を実証すること。
• 高温・非局所的バレー電子工学的応用に向けたキラルフェルミオンの可能性を調査すること。

提案手法

• Cd3As2に平行な電場（E）および磁場（B）を印加し、キラル不均衡を誘発する。
• 非ゼロのギロトロピック係数γの測定により、キラル電荷の保存が破れていることを示す場に依存するカー効果を検出する。
• BがEと平行に配置されたときの負の磁気抵抗を観測し、キラル異常を特徴付ける。
• 非局所的電気的輸送測定を用いて、キラル不均衡に起因するバレー拡散を検出する。
• 場の向きを系統的に変化させ、キラル異常効果と従来の磁気抵抗を区別する。
• 実用的応用に向けたキラル輸送の頑健性を確認するため、室温での動作を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ディラック半金属におけるキラル異常は、測定可能な電磁気的応答を通じて実験的に観測可能か？
• RQ2 Cd3As2におけるキラル異常駆動現象において、バレー輸送の果たす役割は何か？
• RQ3 電場および磁場の整列が、磁気抵抗およびキラル電荷ダイナミクスに与える影響は何か？
• RQ4 キラル不均衡が存在する条件下で、非局所的バレー輸送は室温までどの程度持続するか？
• RQ5 カー効果を用いてギロトロピック係数γを実験的に定量可能か？これによりキラル異常のシグネチャを確認できるか？

主な発見

• 磁場を電流方向に整列させたとき、負の磁気抵抗が観測され、キラル異常を直接示す証拠が得られた。
• 場に依存するカー効果により、非ゼロのギロトロピック係数γが確認され、キラル電荷の保存が破れていることが示された。
• 平行なEおよびB場の下で、室温まで非局所的電気的応答がキラル不均衡に起因するバレー拡散として検出された。
• キラル異常は測定可能なキラル不均衡を誘発し、外部場の制御下でも持続した。
• 観測されたバレー輸送は、強い磁場がなくても安定的かつ検出可能であり、室温でのバレー電子工学的応用の可能性を示した。
• キラル異常の実験的シグネチャは、従来の正の磁気抵抗とは明確に異なり、そのトポロジカル起源を確認した。