[論文レビュー] Two-body interaction induced axion-phason field in Weyl semimetals

D. Schmeltzer|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2体電子相互作用によって駆動されるWeyl半金属におけるaxion-phason結合の微視的メカニズムを提案し、滑らかで電荷密度波（CDW）相が、phason揺らぎを通じて空間的・時間的依存のトポロジカルaxion項θ(z,t)を誘導することを示している。主な結果は、phason場α(z,t)がe²/(2πℏ) ∫θ(z,t)(E·B)を動的に生成することであり、これは平行なEおよびB場下で観測された実験的axionic応答を説明する。

ABSTRACT

Following our results that the two-body interaction can induce a space and time dependent topological axion term $ \frac{e^2}{2\pi \hbar} heta(z,t)(\vec{E}\cdot\vec{B})$, we show that by applying this theory to a Weyl semimetal with two nodes in a magnetic field a one-dimensional sliding charge density wave (CDW) in agreement with the recent experimental finding of J. Gooth et al. [Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-019-1630-4 (2019)]. We show that the theory is equivalent to a time and space dependent of the topological angle which represents the phason.

研究の動機と目的

• 微視的CDWモデルに依存しないWeyl半金属におけるaxion-phason場の起源を確立すること。
• (TaSe₄)₂Iにおける平行EおよびB場下でのaxionic応答の最近の実験的観測を説明すること。
• 2体電子相互作用がphason揺らぎを通じて時間的・空間的依存のトポロジカル角θ(z,t)を誘導することを示すこと。
• phason場α(z,t)が電磁場にE·B項を通じて結合し、動的なaxion場として機能することを示すこと。
• 磁場下のWeyl半金属の一様次元ボソン化モデルから有効作用および電導度を導出すること。

提案手法

• 2つのノードを持つWeyl半金属の低エネルギー有効ハミルトニアンを定式化し、Weyl点の周りで線形化し、n=0ランドー準位に射影する。
• 2体引力的相互作用−U_eff n_R n_Lを導入し、ハッブル＝ストラトニョフ変換を用いて複素オーダーパラメータ∆(z) = |∆|e^{iα(z,t)}に分解する。
• 1次元ボソン化を用いてフェルミオン演算子をチャノニカルなボソン場θ(z,t)およびϕ(z,t)に写像し、α(z,t)をphason場として特定する。
• γ5および電磁場を含む三角ダイアグラムを計算することでphason場の有効作用を導出し、発散を∆_Imag → ∆_Imag + ∂_zβにより正則化する。
• 有効作用S_eff ∝ ∫dt∫dz (e²/h) β(z,t)(E·B)を導出し、β(z,t) = −½α(z,t)が動的なaxion場を定義することを示す。
• 電場E_3(z,t)への応答を解析するため、運動方程式∂_z(vc/K_c ∂_z α) = −eE_3を導出し、σ = e²/h K_cを得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Weyl半金属における2体電子相互作用は、どのように動的なaxion場を生成するか？
• RQ2 平行なEおよびB場下で観測された(TaSe₄)₂Iにおける滑らかなCDW相の微視的起源は何か？
• RQ3 phason場α(z,t)はどのように電磁場に結合し、有効なE·B項を生成するか？
• RQ4 chirality異常および軸異常は、axion-phason結合を媒介するために果たす役割は何か？
• RQ5 K_c > 1であるLuttingerパラメータは、相互作用の存在下でのギャップなし相の安定性にどのように寄与するか？

主な発見

• 2体相互作用がphason揺らぎα(z,t)を通じて時間的・空間的依存のトポロジカル角θ(z,t)を誘導し、有効axion項∫θ(z,t)(E·B)を生成する。
• phason場α(z,t)がaxion場として機能することが示され、δS ∝ ∫dt∫dz (e²/h) β(z,t)(E·B)であり、β(z,t) = −½α(z,t)である。
• 三角ダイアグラムから導出された有効作用は線形発散を示すが、∆_Imag → ∆_Imag + ∂_zβのシフトにより正則化され、有限なaxion結合が得られる。
• phason応答に起因する電導度はσ = e²/h K_cであり、K_c = √(4π) > 1であるため、安定なギャップなし相である。
• phasonの運動方程式は∂_z(vc/K_c ∂_z α) = −eE_3であり、電場がphasonダイナミクスを駆動することを示す。
• chiral変換Ψ → e^{iγ5β(z)}ΨはQ_3 → Q_3 + ∂_zβを引き起こし、直接的にaxion作用を生成する。これにより、結合のトポロジカル性が確認される。