[論文レビュー] Strain in Weyl semimetals. A continuum approach

Vicente Arjona, María A. H. Vozmediano|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、Weyl 半金属におけるひずみの連続体場理論的アプローチを提示し、従来の2次元ディラック材料では存在しなかった、変形勾配テンソルの非対称部が、新しい電子- phonon 耦合を生じることを明らかにした。これには、新しい弾性ゲージ場、コーンの傾き、擬似ゼーマン効果が含まれ、従来のひずみポテンシャル理論をはるかに超えて、低エネルギー電子的応答が根本的に変化する。

ABSTRACT

The coupling of lattice deformations to the low energy electronic excitations of Dirac matter involve novel types of electron--phonon couplings as the celebrated elastic gauge fields first analyzed in graphene. In the continuum low energy approach, lattice deformations coupling to the electronic degrees of freedom are characterized by the (symmetric) strain tensor defined in elasticity theory. We review these couplings in Weyl semimetals and examine the coupling of electronic excitations to the antisymmetric part of the deformation gradient tensor associated to rotational strain. The new couplings, absent in the two dimensional materials, have important physical implications: they give rise to new elastic gauge fields, contribute to the deformation potential, tilt the cones and generate new pseudo--Zeeman couplings.

研究の動機と目的

• ディラックおよび Weyl 半金属におけるひずみの連続体記述を、対称ひずみテンソルにとどまらず拡張すること。
• 3次元の Weyl 半金属において、変形勾配テンソルの非対称部から生じる物理的効果を同定および特徴付けること。
• 2次元系では無視可能であった回転ひずみが、どのように新しい電子的カップリングを生成し、バンド構造を変更するかを明らかにすること。
• ひずみ下での低エネルギー有効ハミルトニアンにおける弾性ゲージ場および擬似ゼーマン項の役割を明確にすること。

提案手法

• 格子ハミルトニアンの連続体極限を用いて形式的枠組みを構築し、弾性理論からのひずみテンソルを組み込む。
• 変形勾配テンソルを対称部（ひずみ）と非対称部（回転）に分解し、後者をゲージ場として扱う。
• 対称および非対称ひずみ成分へのカップリングを含む、低エネルギー有効ハミルトニアンを導出する。
• ひずみ下での電子スペクトルを解析し、コーンの傾きおよび新しい擬似スピン軌道的カップリングを同定する。
• 対称性およびゲージ不変性の原則を適用して、新しいカップリングを分類し、従来のひずみポテンシャル効果と区別する。
• 微視的格子詳細を必要としない連続体場理論を用いて理論的予測を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変形勾配テンソルの非対称部は、Weyl 半金属における電子励起にどのように影響を与えるか？
• RQ2 3次元のディラックおよび Weyl 系において、回転ひずみから生じる新しい弾性ゲージ場は何か？
• RQ3 ひずみ誘発コーンの傾きは、Weyl 半金属の電子バンド構造にどのように変化をもたらすか？
• RQ4 これらの新しいカップリングは、標準的なスカラー項を越えてひずみポテンシャルにどのように寄与するか？
• RQ5 ひずみを受ける Weyl 半金属における擬似ゼーマンカップリングの起源と物理的意義は何か？

主な発見

• 変形勾配テンソルの非対称部は、グラフェンのような2次元ディラック材料には存在しなかった、新しい弾性ゲージ場を生成する。
• 回転ひずみは、Weyl 半金属の電子スペクトルにおけるスピンデゲネラシーを引き起こす、新しい擬似ゼーマンカップリングを誘発する。
• ひずみは Weyl コーンの傾きを生じさせ、フェルミ速度を変化させ、低エネルギー理論におけるローレンツ不変性を破る。
• 新しいカップリングはひずみポテンシャルに寄与し、電子状態の機械的応力への応答を変化させる。
• これらの効果は、Weyl フェルミオン固有のキラル性に起因し、時間反転対称性を持つ系には存在しない。
• 連続体アプローチにより、回転ひずみがスカラーひずみとは異なり、ゲージ的相互作用を通じて電子自由度に結合することが明らかになった。