[論文レビュー] Probing the chiral anomaly with nonlocal transport in three dimensional topological semimetals

S. A. Parameswaran, Tarun Grover+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2013

Topological Materials and Phenomena被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、Weyl半金属やディラック半金属などの三次元トポロジカル半金属におけるヘリカル異常を検出する非局所輸送プロトコルを提案する。局所的な磁場を用いて長距離にわたるバルク不均衡を生成し、それが拡散して電流注入点から遠く離れた場所で測定可能な電圧降下を生じる。磁場が電流に対して垂直であるとこの効果は消えるため、ヘリカル異常の明確なシグネチャが得られ、ナトリウムヒ素（Na3Bi）のような高移動度材料においても、推定される緩和長が約10ミクロンに達するなど、頑健である。

ABSTRACT

Weyl semimetals are three-dimensional crystalline systems where pairs of bands touch at points in momentum space, termed Weyl nodes, that are characterized by a definite topological charge: the chirality. Consequently, they exhibit the Adler-Bell-Jackiw anomaly, which in this condensed matter realization implies that application of parallel electric ($\mathbf{E}$) and magnetic ($\mathbf{B}$) fields pumps electrons between nodes of opposite chirality at a rate proportional to $\mathbf{E}\cdot\mathbf{B}$. We argue that this pumping is measurable via nonlocal transport experiments, in the limit of weak internode scattering. Specifically, we show that as a consequence of the anomaly, applying a local magnetic field parallel to an injected current induces a valley imbalance that diffuses over long distances. A probe magnetic field can then convert this imbalance into a measurable voltage drop far from source and drain. Such nonlocal transport vanishes when the injected current and magnetic field are orthogonal, and therefore serves as a test of the chiral anomaly. We further demonstrate that a similar effect should also characterize Dirac semimetals --- recently reported to have been observed in experiments --- where a pair of Weyl nodes coexisting at a single point in the Brillouin zone are protected by a crystal symmetry. Since the nodes are analogous to valley degrees of freedom in semiconductors, this suggests that valley currents in three dimensional topological semimetals can be controlled using electric fields, which has potential practical `valleytronic' applications.

研究の動機と目的

• Weyl半金属やディラック半金属などの三次元トポロジカル半金属におけるヘリカル異常を、直接観測することが難しいため、直接的な実験的プローブを提供すること。
• ヘリカル異常によって生成されたバルク不均衡が、緩やかな間層間散乱により長距離にわたって拡散可能であり、非局所電圧検出が可能であることを示すこと。
• 非局所応答が磁場の方向と電流の方向の整合性に強く依存することを示し、従来のオーム的効果とは明確に区別できるシグネチャを提供すること。
• ナトリウムヒ素（Na3Bi）のような高移動度材料において、この効果が観測可能であることを確立すること。ここでは、測定可能な非局所信号を生じるのに十分な長い緩和時間が得られる。
• 金属的接触を用いることができる実用的な幾何配置（例えばH型幾何）を提案し、接触に起因する緩和の影響を最小限に抑えることで、強い非局所信号を維持すること。

提案手法

• 本手法は、Weyl半金属やディラック半金属の電流が流れる領域に平行な局所的磁場を印加することで、ヘリカル異常を誘発し、バルク不均衡を生成することに依存する。
• 弱い間層間散乱のため、バルク不均衡は長距離にわたって拡散し、Na3Biでは推定される拡散長が約10ミクロンに達する。
• 遠く離れたプローブ磁場が、ヘリカル異常メカニズムを介して蓄積されたバルク不均衡を測定可能な非局所電圧降下に変換する。
• 電流注入と電圧検出が空間的に分離された幾何構造を用いることで、信号が非局所的であり、オーム的寄与とは明確に区別されるようにする。
• 代替としてH型幾何が提案され、大規模なソースおよび検出領域が細いブリッジで接続されており、接触に起因する緩和の影響が低減され、信号の忠実度が向上する。
• スクリーニングされた不純物散乱のモデルを用いて間層間緩和時間を推定し、Na3Biではτi ~ 10³τcとなり、拡散長が約10 μmに達することが示され、実験的に達成可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三次元トポロジカル半金属におけるヘリカル異常は、非局所輸送測定によってプローブ可能か？
• RQ2 非局所電圧応答は、磁場の方向が電流に対してどのように相対的に配置されているかに依存するか？
• RQ3 ナトリウムヒ素（Na3Bi）のような高移動度Weyl半金属やディラック半金属におけるバルク不均衡の特徴的な拡散長は何か？
• RQ4 金属的接触を非局所輸送設定で使用しても信号が破壊されないか、もしそうならばどのような幾何配置で可能か？
• RQ5 現実的な材料において、ヘリカル異常の効果は、従来のオーム的輸送とはどの程度明確に区別可能か？

主な発見

• ヘリカル異常により生じる長距離バルク不均衡は、弱い間層間散乱のため、ナトリウムヒ素（Na3Bi）のような高移動度材料で最大約10ミクロンの距離にわたって拡散する。
• 非局所電圧応答は、磁場が電流に対して垂直であると消えるため、従来の輸送とは明確に区別できる方向性のシグネチャを提供する。
• Na3Biにおける間層間緩和時間の推定値はτi ~ 10³τcであり、これに相当する拡散長は約10ミクロンに達し、実験的に達成可能である。
• H型幾何設計により、生成領域と検出領域を分離することで金属的接触を用いることが可能になり、接触に起因する緩和の影響が低減される。
• 非局所信号は頑健であり、材料パラメータとは独立して調整可能であり、その大きさに根本的な上限がない。
• 本プロトコルは、ヘリカル異常の実用的かつ明確に区別可能な実験的シグネチャを提供するため、実際の材料におけるWeyl半金属やディラック半金属の同定に有望なツールである。