[論文レビュー] Intrinsic chiral magnetic effect in Dirac semimetals due to dislocations

M. N. Chernodub, M. A. Zubkov|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ディラック半金属内のミクロ的欠陥が、出現する磁束を介して固有のキラル磁気効果を誘発することを提案している。この効果により、欠陥軸に沿ったキラルフェルミオンモードが生じる。外部電場を欠陥軸に平行に印加すると、スペクトルフローが軸方向の電荷をポンプし、固有の磁場が縦方向の電流を生成する。その結果、輸送測定において電導度が向上する。

ABSTRACT

A dislocation in a Dirac semimetal carries an emergent magnetic flux parallel to the dislocation axis. We show that due to the emergent magnetic field the dislocation accommodates a single fermion massless mode of a corresponding low-energy one-particle Hamiltonian. The mode is propagating along the dislocation with its spin directed parallel to the dislocation axis. In agreement with the chiral anomaly observed in Dirac semimetals, an external electric field to the spectral flow of the one-particle Hamiltonian by pumping the fermionic quasiparticles out from vacuum and creating a nonzero axial (chiral) charge in the vicinity of the dislocation. In the presence of the chirality imbalance, the intrinsic magnetic field of the dislocation generates an electric current along the dislocation axis. We point out that this effect – which is an intrinsic analogue of the chiral magnetic effect – may experimentally reveal itself through transport measurements in Dirac semimetals via enhanced conductivity when the external electric field is parallel to the dislocation axis.

研究の動機と目的

• ディラック半金属内の欠陥によって生じるキラルフェルミオンモードの発現を調査すること。
• 欠陥から生じる出現磁束が外部電場下で軸方向電荷ポンプをどのように誘発するかを理解すること。
• 欠陥の固有磁場がキラル磁気効果を通じて軸方向の電流を生成することを示すこと。
• 外部電場を欠陥軸に整列させた場合に観測可能な輸送シグネチャー（電導度の増大）を提案すること。

提案手法

• 低エネルギー有効ハミルトニアンにおいて、欠陥を軸に平行な出現磁束源としてモデル化すること。
• 1粒子ハミルトニアンの解析により、欠陥に沿って伝搬する単一の質量ゼロフェルミオンモードを同定すること。
• 外部電場を印加してスペクトルフローを誘発し、真空から準粒子をポンプして軸方向（キラル）電荷を生成すること。
• キラル不均衡が生じた状態において、欠陥の固有磁場が生成する電流を計算すること。
• 対称性およびトポロジカル考察を用いて、キラル異常と軸方向のネット電流の発生を結びつけること。
• ディラック半金属における輸送測定を通じて、実験的に観測可能なシグネチャーを予測すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ディラック半金属内の欠陥は、どのように出現磁束と関連するキラルフェルミオンモードを生じさせるか？
• RQ2 外部電場下でスペクトルフローを介して軸電荷ポンプを可能にするキラル異常は、果たしてどのような役割を果たすか？
• RQ3 欠陥の固有磁場は、どのようにしてその軸に沿ったネット電流を生成するか？
• RQ4 外部電場を欠陥軸に平行に印加した場合に、どのような測定可能な輸送応答が予想されるか？
• RQ5 この効果は、キラル磁気効果のどのような内在的アナロジーを示しているか？

主な発見

• ディラック半金属内の欠陥は、スピンが軸に平行に整列した単一のキラルフェルミオンモードを、欠陥軸に沿って伝搬させることを特徴とする。
• 欠陥から生じる出現磁束はキラル異常を引き起こし、外部電場下でスペクトルフローを可能にする。
• キラル異常に起因して、欠陥周辺に軸電荷がポンプされ、キラル不均衡が生じる。
• 欠陥の固有磁場は、キラル不均衡に応じて、その軸に沿ったネット電流を生成する。
• 外部電場を欠陥軸に平行に印加した場合、縦方向の電導度が増大すると予測される。
• この効果は、ディラック半金属における固有のキラル磁気効果を検出する明確な輸送的シグネチャーを提供する。