[論文レビュー] High-field magnetoconductivity of topological semimetals with short-range potential

Hai‐Zhou Lu, Song-Bo Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 49被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、短距離散乱をモデル化することで、トポロジカル半金属における高磁場磁電率を再評価し、電導度がランドー準位の degeneracy よりもフェルミ速度に主に依存することを明らかにした。強い磁場下で負の磁電率が現れる3つの状況を特定し、長年にわたり「チラル異常の明確な指標」と見なされてきた正の磁電率の見解に疑問を呈している。

ABSTRACT

Weyl semimetals are three-dimensional topological states of matter, in a sense that they host paired monopoles and antimonopoles of Berry curvature in momentum space, leading to the chiral anomaly. The chiral anomaly has long been believed to give a positive magnetoconductivity or negative magnetoresistivity in strong and parallel fields. However, several recent experiments on both Weyl and Dirac topological semimetals show a negative magnetoconductivity in high fields. Here, we study the magnetoconductivity of Weyl and Dirac semimetals in the presence of short-range scattering potentials. In a strong magnetic field applied along the direction that connects two Weyl nodes, we find that the conductivity along the field direction is determined by the Fermi velocity, instead of by the Landau degeneracy. We identify three scenarios in which the high-field magnetoconductivity is negative. Our findings show that the high-field positive magnetoconductivity may not be a compelling signature of the chiral anomaly and will be helpful for interpreting the inconsistency in the recent experiments and earlier theories.

研究の動機と目的

• 理論的予測である正の磁電率と、高磁場下での実験的観測である負の磁電率の不一致を解消すること。
• 短距離不純物散乱がワイルおよびディラック半金属における磁電率に与える影響を調査すること。
• 高磁場下での正の磁電率が、チラル異常を示す強固な指標のままであるかどうかを特定すること。
• ランドー準位輸送における散乱率とフェルミ速度の磁場依存性を考慮する理論的枠組みを構築すること。

提案手法

• ワイル半金属の二ノードモデルを構築し、momentum 空間におけるワイルノード間の有限な分離を考慮する。
• デルタ関数ポテンシャルを用いて短距離不純物散乱を組み込み、ランドー準位間の行列要素を計算する。
• フェルミ速度と磁場依存の散乱率に明示的に依存する電導度式を導出するが、ランドー準位の degeneracy には依存しない。
• 仮想遷移（特に ν=0 と ν=1± 間）を含む、散乱時間の自己無撞撃的取り扱いを実施する。
• 遅延および先行グリーン関数を用いた修正されたクラインの公式を用いて、縦方向電導度 σxx を計算する。
• 非一様なランドー準位の幅拡大を補正するための補正因子 Λ を導入し、標準的近似よりも精度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近の実験では高磁場下で負の磁電率が観測されているが、理論的予測の正の磁電率とはなぜ相反するのか？
• RQ2 短距離不純物散乱は、トポロジカル半金属における電導度の磁場依存性をどの程度変化させるのか？
• RQ3 ワイルおよびディラック半金属の高磁場電導度において、ランドー準位の degeneracy よりもフェルミ速度が支配的であるのか？
• RQ4 チラル異常が存在する状況でも、どのような条件下で負の磁電率が出現するのか？
• RQ5 散乱メカニズムのより正確な取り扱いによって、理論と実験の不一致を説明できるのか？

主な発見

• 短距離散乱が存在する場合、高磁場磁電率は主にフェルミ速度に支配され、ランドー準位の degeneracy には依存しない。
• チラル異常が存在する中でも、強磁場下で磁電率が負になる3つの明確な状況が同定された。
• ν=0 から ν=1± への遷移の散乱率 τ⁻¹ は、磁場依存のフェルミ速度と波動関数の重なりに依存する。
• 電導度式から、σxx が x 方向速度行列要素の二乗に比例し、ν=1± から ν=0 への散乱率の逆数に比例することが示された。
• チラル異常の破綻を仮定せず、実験的に観測された高磁場下の負の磁電率を本モデルが説明可能である。
• 標準的仮定である「ランドー準位の degeneracy が電導度を支配する」は、短距離散乱下では誤りである。代わりに、フェルミ速度と散乱時間の再正規化が鍵となる。