[論文レビュー] Tunable optical activity due to the chiral anomaly in Weyl semimetals

Pavan Hosur, Xiao-Liang Qi|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、電磁場の E⋅B が非ゼロである条件下で、キラル異常による非ゼロのねじれ係数またはホール様伝導度を測定することにより、ウェイル半金属におけるキラル異常を円偏光二色性を用いて検出する手法を提案する。この方法により、キラル異常によるトポロジカルなキラル電荷ポンプを直接光学的に探査でき、ウェイル半金属とディラック半金属を区別できる。

ABSTRACT

Weyl semimetals are a three dimensional gapless topological phase in which bands intersect at arbitrary points -- the Weyl nodes -- in the Brillouin zone. These points carry a topological quantum number known as the \emph{chirality} and always appear in pairs of opposite chiralities. The notion of chirality leads to anomalous non-conservation of chiral charge, known as the \emph{chiral anomaly}, according to which charge can be pumped between Weyl nodes of opposite chiralities by an electromagnetic field with non-zero $\boldsymbol{E}\cdot\boldsymbol{B}$. Here, we propose probing the chiral anomaly by measuring the optical activity of Weyl semimetals via circular dichroism. In particular, we observe that applying such an electromagnetic field on this state gives it a non-zero gyrotropic coefficient or a Hall-like conductivity, which may be detectable by routine circular dichroism experiments. This method also serves as a diagnostic tool to discriminate between Weyl and Dirac semimetals; the latter will give a null result. More generally, any experiment that probes a bulk correlation function that has the same symmetries as the gyrotropic coefficient can detect the chiral anomaly as well as differentiate between Dirac and Weyl semimetals.

研究の動機と目的

• ウェイル半金属におけるキラル異常を検出する光学的手法を開発すること。この現象はキラル電荷の保存が破れる現象に関連する。
• トポロジカルキラリティに敏感なバルク光学的応答を用いて、ウェイル半金属とディラック半金属を区別すること。
• E⋅B 項子が非ゼロである条件下で、キラル異常が測定可能なねじれ係数またはホール様伝導度として現れることを示すこと。
• ねじれ係数と同じ対称性を持つバルク相関関数に基づく診断ツールを提供すること。

提案手法

• E⋅B が非ゼロである電磁場下におけるウェイル半金属の光学的応答の理論的分析。
• ウェイル準位の有効ハミルトニアンから導かれるキラル異常を伴うねじれ係数の計算。
• ウェイル半金属における非ゼロのねじれ応答を測定する実験的プローブとしての円偏光二色性の使用。
• ウェイル半金属とディラック半金属の光学的応答の比較により、後者ではキラル異常がないため応答がゼロとなることの示唆。
• ねじれ係数と同じ対称性を持つバルク相関関数がキラル異常の感受性指標として同定されること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウェイル半金属におけるキラル異常は、円偏光二色性の光学的測定によって検出可能か？
• RQ2 非ゼロの E⋅B 項子が存在する場合、ウェイル半金属で測定可能なねじれ係数が誘導されるか？
• RQ3 同じ電磁場条件下で、ウェイル半金属の光学的応答はディラック半金属とどのように異なるか？
• RQ4 ねじれ係数と同じ対称性を持つバルク相関関数は、キラル異常の指標として機能可能か？

主な発見

• E⋅B が非ゼロである電磁場を印加すると、ウェイル半金属では非ゼロのねじれ係数が誘導され、円偏光二色性により検出可能である。
• キラル異常は光学的応答においてホール様伝導度を引き起こすが、これはディラック半金属には存在しない。
• この方法により、同じ条件下でディラック半金属はゼロ応答を示すため、ウェイル半金属とディラック半金属を明確に実験的に区別できる。
• ねじれ係数と同じ対称性を持つバルク相関関数をプローブする任意の実験は、キラル異常を検出可能である。