[論文レビュー] The chiral anomaly in Weyl semimetals is not robust

Pilkwang Kim, Ji Hoon Ryoo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、第一原理計算を通じて、強い磁場下で相反するヘリシティを有するウェイル点のゼロ番目のランダウ準位の磁場依存性の混合が顕著になることにより、ウェイル半金属におけるヘリカル異常（chiral anomaly）が破綻することを示している。その結果、顕著なエネルギーギャップが開き、電荷のヘリシティ非保存の標準的図式は成立しなくなる。これは、輸送、熱電気的現象、集団励起状態の理論的枠組みを再考する必要があることを示唆する。

ABSTRACT

The low-energy quasiparticles of Weyl semimetals are a condensed-matter realization of the Weyl fermions introduced in relativistic field theory. Chiral anomaly, the nonconservation of the chiral charge under parallel electric and magnetic fields, is arguably the most important phenomenon of Weyl semimetals and has been explained as an imbalance between the occupancies of the gapless, zeroth Landau levels with opposite chiralities. This widely accepted picture has served as the basis for subsequent studies. Here we report the breakdown of the chiral anomaly in Weyl semimetals in a strong magnetic field based on ab initio calculations. A sizable energy gap that depends sensitively on the direction of the magnetic field may open up due to the mixing of the zeroth Landau levels associated with the opposite-chirality Weyl points that are away from each other in the Brillouin zone. Our study provides a theoretical framework for understanding a wide range of phenomena closely related to the chiral anomaly in topological semimetals, such as magnetotransport, thermoelectric responses, and plasmons, to name a few.

研究の動機と目的

• 強い磁場下におけるウェイル半金属におけるヘリカル異常の頑健性を再検討すること。
• 異なったヘリシティを有するウェイル点間のカップリングが、低エネルギーのランダウ準位スペクトルをどのように変化させるかを調査すること。
• ゼロ番目のランダウ準位の占有状態の不均衡に基づく、ヘリカル電荷非保存の従来の理解に疑問を呈すること。
• ヘリカル異常パラダイムを超えて、ウェイル半金属におけるトポロジカル応答を記述する修正された理論的枠組みを構築すること。

提案手法

• 強い磁場下におけるウェイル半金属の完全なバンド構造をモデル化するため、第一原理電子構造計算を実施すること。
• 相反するヘリシティを有するウェイル点のゼロ番目のランダウ準位に注目して、ランダウ準位スペクトルを分析すること。
• 磁場の方向に応じたゼロ番目のランダウ準位間のエネルギー分裂を計算すること。
• 運動量空間における有限な分離に起因する、相反するヘリシティのランダウ準位間の混合度を評価すること。
• 対称性およびバンドトポロジーを用いて、摂動に対するヘリカル異常の安定性を評価すること。
• 磁場下におけるウェイル点間カップリングを含む有効ハミルトニアンを導出し、ギャップの形成をモデル化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場下において、ウェイル半金属におけるヘリカル異常は依然として有効であるか？
• RQ2 運動量空間におけるウェイル点間の分離が、ランダウ準位の混合をどのように変化させるか？
• RQ3 磁場の方向が、ランダウ準位スペクトルにおけるエネルギーギャップの開き方にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ウェイル点間カップリングの度合いが、ヘリカル電荷非保存に基づく標準的図式をどの程度無効にするか？
• RQ5 観察されたギャップ形成は、ヘリカル間ランダウ準位の混合を含む最小限の有効モデルで捉えられるか？

主な発見

• 相反するヘリシティを有するウェイル点のゼロ番目のランダウ準位の顕著な混合が、強い磁場下でウェイル半金属におけるヘリカル異常の破綻を引き起こす。
• ランダウ準位スペクトルに顕著なエネルギーギャップが開き、その大きさは磁場の方向に敏感に依存する。
• ギャップはウェイル点間の有限な運動量空間的分離に起因し、磁場下におけるウェイル点間カップリングによって駆動される。
• 相反するヘリシティのゼロ番目のランダウ準位の占有状態の不均衡に基づくヘリカル電荷非保存の標準的図式は、強い磁場下では成立しなくなる。
• これらの発見は、トポロジカル半金属における磁気輸送、熱電気的効果、プラズモンモードの理論的モデルを再評価する必要があることを示唆する。
• 本研究は、ランダウ準位スペクトルにおける磁場方向依存ギャップ形成を考慮した、新たな理論的枠組みを確立した。