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

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

Topological Materials and Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、非局所的輸送を用いたWeyl半金属におけるヘリカル異常の検出を提案する：電流に平行な局所的磁場を印加することで、ヘリカル性を持つWeylノード間を異常駆動の電子ポンプ作用が生じ、長距離にわたるバルク不均衡が発生し、遠く離れたプローブ磁場によって測定可能な電圧に変換される。電流と磁場が直交する場合にはこの効果が消失するため、異常に明確なシグネチャーが得られ、3次元トポロジカル半金属におけるバルクトロニクス制御が可能になる。

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半金属におけるヘリカル異常を非局所的電気的輸送測定によってプローブできることを示すこと。
• 電流に平行な局所的磁場が、弱いノード間散乱を伴う条件下で、異常駆動の電子ポンプ作用により長距離バルク不均衡を誘発することを確立すること。
• この不均衡が、電流源から離れた場所に配置されたプローブ磁場によって測定可能な電圧信号に変換できることを示すこと。
• Weylノードが結晶対称性によって保護され、バルク自由度として振る舞うDirac半金属へこの提案を拡張すること。
• 3次元トポロジカル半金属における電場制御バルク電流の可能性を検討し、バルクトロニクス応用への応用を模索すること。

提案手法

• E·Bポンプ作用に比例する割合で、相反するヘリシティを持つWeylノード間を電子がポンプされるとして、Weyl半金属におけるヘリカル異常をモデル化する。
• 弱いノード間散乱を伴う条件下で、電流に平行に印加された局所的磁場が、異常駆動の電子ポンプ作用によりバルク不均衡を誘発することを扱う。
• 得られるバルク不均衡を、材料内で長距離にわたって拡산する量として扱う。
• 遠く離れた場所に配置されたプローブ磁場を用いて、拡散するバルク不均衡を測定可能な電圧降下に変換する。
• 信号の電流と磁場の相対的向き依存性を解析し、直交する場合に信号が消失することを示す。
• Weylノードが運動量空間の一点に共存し、対称性によって保護されるDirac半金属に対しても分析を拡張し、それらをバルク自由度として扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Weyl半金属におけるヘリカル異常は、非局所的輸送測定によって検出可能か？
• RQ2 電流に平行な局所的磁場の印加が、異常駆動のポンプ作用により長距離バルク不均衡を誘発するか？
• RQ3 遠く離れたプローブ磁場が、この不均衡を測定可能な電圧信号に変換可能か？
• RQ4 非局所信号が電流と磁場が直交する場合に消失するのはなぜか？この挙動がヘリカル異常のシグネチャーとしてどのように機能するか？
• RQ5 Weylノードが結晶対称性によって保護されるDirac半金属でも、同様の非局所効果が観測可能か？

主な発見

• Weyl半金属においてヘリカル異常が、局所的磁場を電流に平行に印加した場合、バルク不均衡が長距離にわたって拡散することを示した。
• 非局所電圧信号は、電流と磁場が平行である場合にのみ発生し、異常と他の効果を明確に区別する明確なシグネチャーを提供する。
• 電流と磁場が直交する場合にこの効果が消失することにより、E·Bポンプメカニズムに起因するヘリカル異常由来であることが確認された。
• 同様の非局所輸送メカニズムは、Weylノードが結晶対称性によって保護され、バルク自由度として振る舞うDirac半金属でも成立するはずである。
• 本結果は、3次元トポロジカル半金属におけるバルク電流が電場で制御可能であり、バルクトロニクス応用への可能性を示唆している。