[論文レビュー] Floquet dynamics in multi-Weyl semimetals

Amit Gupta|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、モノポール電荷 J がより高い材料において、円偏光光の周期的照射が、自明な絶縁体からマルチ・ウェイリ半金属（m-WSM）へのトポロジカル相転移を駆動できることを提案している。レーザー強度を調整することで、分離が調整可能なウェイリノードを有する系が形成され、$A_0^{2J}$ に比例する大きな異常ホール伝導度を示し、輸送測定またはポンプ・プローブARPES実験で測定可能である。

ABSTRACT

Multi-Weyl semimetals(m-WSMS) are characterized by anisotropic non-linear energy dispersion along 2-D plane and a linear dispersion in orthogonal direction. They have topological charge J and are realized when two or multiple Weyl nodes with nonzero net monopole charge bring together onto a high-symmetry point. The model Hamiltonians of such systems show various phases such as trivial normal insulators (NIs), WSMs and quantum anomalous Hall(QAH) states depending on the model parameters. We study a periodic driving of such Hamiltonians in trivial NI phase by circularly polarized light and shows this phase can be tunable to Weyl semimetals phase. This transition can be accomplished with large anomalous Hall conductivity which could be observed in transport measurements or pump-probe angle resolved photoemission spectroscopy experiments.

研究の動機と目的

• モノポール電荷 J > 1 を持つマルチ・ウェイリ半金属（m-WSMs）のフロケ工学的特性を調査すること。
• 円偏光光を用いて、自明な絶縁体（NI）からウェイリ半金属（WSM）相へのトポロジカル相転移を誘発できるかを検討すること。
• 駆動された m-WSM 相における大きな異常ホール伝導度の出現を定量的に評価し、レーザーパラメータによる調整可能性を明らかにすること。
• 輸送測定およびARPES測定における相転移の実験的観測可能なシグネチャーを理論的枠組みで提供すること。

提案手法

• z 軸方向の円偏光光照射下における m-WSMs の時間周期的ハミルトニアンに、フロケ理論の形式的取り扱いを適用する。
• レーザー場をペイエルズ置換を用いて導入し、時間平均化された有効ハミルトニアンを導出することで、系のダイナミクスを記述する。
• 拡張フロケ空間におけるフロケハミルトニアンの固有値問題を数値的に対角化し、エネルギー準位のギャップ閉じと再開を明らかにする。
• 線形応答理論を用いて、フロケバンド構造におけるベリー曲率とフェルミ・ディラック分布を組み合わせて、異常ホール伝導度を計算する。
• Weylノードが存在する $k_z$ 固定平面におけるチェーン数 $C(k_z)$ を計算し、トポロジカル相を同定する。WSM相では $C = J$ となる。
• ゼロ温度およびゼロ化学ポテンシャルの極限において、ホール伝導度の解析的表現を導出し、$\sigma_{xy} \propto A_0^{2J}$ の関係を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノポール電荷 J を持つ系において、円偏光光が自明な絶縁体からマルチ・ウェイリ半金属へのトポロジカル相転移を誘発できるか？
• RQ2 レーザー強度および周波数が、駆動された m-WSM 相におけるウェイリノードの位置および分離距離をどのように制御するか？
• RQ3 異常ホール伝導度がレーザー場の振幅およびモノポール電荷 J に依存する関係は何か？
• RQ4 ポンプ・プローブARPESまたは輸送測定を用いて、トポロジカル相転移および関連する輸送シグネチャーを実験的にプローブできるか？

主な発見

• 円偏光光の照射により、三重ウェイリ半金属モデルでは $A_0 \approx 1.4$ でギャップが閉じることにより、自明な絶縁体からマルチ・ウェイリ半金属相へのトポロジカル相転移が誘発される。
• レーザー強度の増加に伴い、ウェイリノードが $k_y$ 方向に対称的に出現し、その分離距離は $A_0$ に比例して増加する。
• 異常ホール伝導度 $\sigma_{xy}(A_0)$ は、固定周波数 $\omega$ に対して $A_0^{2J}$ に比例し、$\sigma_{xy}(A_0) = J \frac{e^2}{h\pi} \sqrt{(t_z - m_z + \frac{A_0^{2J} \alpha_J^2}{J\omega}) / (0.5 t_z)}$ と表される。
• Weylノードが存在する運動量平面では、チェイン数 $C(k_z) = J$ となることが確認され、相のトポロジカル性が裏付けられる。
• 大きな可変異常ホール応答のため、輸送測定およびポンプ・プローブARPESで相転移が観測可能である。
• 本モデルは、実材料における実験的実現がまだない状況下でも、光学的制御により三重ウェイリ半金属を実現可能であると予測している。