[論文レビュー] Signatures of the chiral anomaly in phonon dynamics

Pierre Rinkel, Pedro L. S. Lopes+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ヘリカル異常がホイル半金属（WSM）のフォノンダイナミクスに測定可能なシグネチャーを引き起こす可能性を提案している。特に、エナンチオモルフォニックWSMにおける$A_1$フォノンにおいて顕著である。ウェイルフェルミオンと格子振動を結合させることで、ヘリカル異常は有効フォノン電荷における磁場依存の共鳴を生成し、フォノン分散、光学反射率、ラーマン散乱に異常を引き起こす。これは、格子ダイナミクスを用いた、平衡状態におけるヘリカル異常の強固なプローブを提供する。

ABSTRACT

Discovered in high-energy physics, the chiral anomaly has recently made way to materials science by virtue of Weyl semimetals (WSM). Thus far, the main efforts to probe the chiral anomaly in WSM have concentrated on electronic phenomena. Here, we show that the chiral anomaly can have a large impact in the $A_1$ phonons of enantiomorphic WSM. In these materials, the chiral anomaly produces an unusual magnetic-field-induced resonance in the effective phonon charge, which in turn leads to anomalies in the phonon dispersion, optical reflectivity, and the Raman scattering.

研究の動機と目的

• ウェイル半金属のフォノン特性におけるヘリカル異常の実験的検出可能なシグネチャーを、電子輸送以外の観点から同定すること。
• 普遍的かつ平衡状態で測定可能な格子ダイナミクスが、ヘリカル異常の補完的プローブとして機能することを確立すること。
• トポロジカルなアキソン場$\theta$のゆらぎに起因する、フォノン分散、光学反射率、ラーマン散乱における具体的で測定可能な異常を予測すること。
• 有限エネルギーカットオフのもとでも安定であり、シュリシルチウム（SrSi₂）、三斜晶系Se/Te、Ag₃BO₃などのエナンチオモルフォニックWSMの$A_1$フォノンで発現することを示すこと。

提案手法

• ウェイルハミルトニアンを用いて電子-フォノン結合をモデル化し、ボーン有効電荷形式を用いて有効フォノン電荷$\mathbf{Q}^{(0)}_{\mathbf{q}\lambda}$を導出する。
• 量子場理論における三角図を用いて、フォノン自己エネルギーに対する異常寄与を計算し、$1/q^2$極構造を示す縦成分に注目する。
• 有限運動量カットオフ$\Lambda$を考慮し、光子運動量$k$のべき級数展開を用いて、$k \ll \Lambda$の下で$1/q^2$極が安定に保たれることを示す。
• ヘリカル異常を介してフォノンダイナミクスに結合するアキソン場$\theta = \mathbf{b} \cdot \mathbf{r} - b_0 t$のゆらぎに起因する有効フォノン電荷の再正規化を導出する。
• 磁場依存の有効フォノン電荷に起因する光学反射率およびラーマン散乱における測定可能な効果を予測する。
• $A_1$フォノンに注目し、反転および鏡対称性の破れにより$\mathbf{Q}^{(0)}_{\mathbf{q}=0\lambda}$が非ゼロとなるため、異常由来の異常を検出可能とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘリカル異常は、平衡状態においても、ウェイル半金属のフォノンダイナミクスに測定可能な効果を引き起こすか？
• RQ2 フォノン分散、反射率、ラーマン散乱といった特定のフォノン特性のうち、どのものにヘリカル異常由来の異常が現れるか？
• RQ3 有限エネルギーカットオフ効果のもとで、フォノン自己エネルギーにおける異常誘発$1/q^2$極はどの程度安定か？
• RQ4 磁場存在下で、アキソン場$\theta$のゆらぎが有効フォノン電荷の動的再正規化を引き起こすか？
• RQ5 シュリシルチウム（SrSi₂）、三斜晶系Se/Te、Ag₃BO₃、TlTe₂O₆、Ag₂Seなど、特定の材料において、これらのシグネチャーが顕著かつ実験的に検出可能か？

主な発見

• エナンチオモルフォニックウェイル半金属の$A_1$フォノンにおいて、ヘリカル異常は有効フォノン電荷に磁場依存の共鳴を引き起こし、フォノン分散に測定可能な異常をもたらす。
• 異常は三角図の縦成分に$1/q^2$極を生成するが、$k \ll \Lambda$の下では有限エネルギーカットオフ$\Lambda$に対しても安定に保たれる。
• 有効フォノン電荷はアキソン場$\theta$のゆらぎによって再正規化され、フォノン応答に磁場依存のシフトが生じる。
• 光学反射率およびラーマン散乱は、異常由来のフォノン自己エネルギーおよび有効電荷の変更に起因する共鳴的特徴を示す。
• 予測された効果は、反転および鏡対称性の破れを示す材料、例えばSrSi₂、三斜晶系Se/Te、Ag₃BO₃、TlTe₂O₆、Ag₂Seの$A_1$フォノンにおいて顕著に現れる。
• 主なシグネチャーは、磁場誘発のフォノン応答異常であり、これは従来のフォノン挙動とは明確に異なり、トポロジカルな電子-フォノン結合に起因するものである。