[논문 리뷰] Chiral anomaly induced oscillations in the Josephson effect in Weyl semimetals

Udit Khanna, Dibya Kanti Mukherjee외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 10.

Topological Materials and Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 시간역행대칭이 깨진 와이울 밴드에서의 편극성 이상이 초전도체와 결합될 경우 조제프슨 전류의 주기적 진동을 유도한다고 제안한다. 스핀 보존과 나선형 준입자에 의해 지배되는 노드 간 전도에 의해 전류는 $k_0L$ 의 함수로 진동하며, 이 주기적 성질은 노드 간 거리와 강하게 연결되어 있어 편극성 와이울 노드를 직접적으로 실험적으로 식별할 수 있는 서명을 제공한다.

ABSTRACT

The separation of the Weyl nodes in a broken time-reversal symmetric Weyl semimetal leads to helical quasi-particle excitations at the Weyl nodes, which, when coupled with overall spin conservation allows only inter-nodal transport at the junction of the Weyl semimetal with a superconductor. This leads to an unusual periodic oscillation in the Josephson current as a function of $k_0L$, where $L$ is the length of the Weyl semimetal and $2k_0$ is the inter-nodal distance. This oscillation is robust and should be experimentally measurable, providing a direct path to confirming the existence of chiral nodes in the Weyl semimetal.

연구 동기 및 목표

• 와이울 밴드에서 편극성 와이울 노드를 위한 강건하고 실험적으로 관측 가능한 서명을 규명하는 것.
• 편극성 이상과 시간역행대칭의 위반이 와이울 밴드-초전도체 접합에서 조제프슨 전송에 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 스핀 보존에 의해 보호되는 노드 간 준입자 전도가 주기적 전류 진동을 유도함을 보여주는 것.

제안 방법

• 시간역행대칭을 깨는 공간적으로 분리된 와이울 노드를 갖는 와이울 밴드를 모델링한다.
• 와이울 밴드 접합에 초전도성 인접 효과를 적용하여 안드레이브 결합 상태를 유도한다.
• 스핀 보존을 고려한 노드 간 터널링을 사용하여 접합을 관통하는 준입자 전도를 기술한다.
• 노드 간 거리 $2k_0$ 와 접합 길이 $L$ 에 따라 조제프슨 전류를 유도하여 진동하는 행동을 드러낸다.
• $k_0L$ 에 따른 전류의 주기성을 분석하여 불순물 및 외부 교란에 대한 강건성을 보여준다.
• 진동이 편극성 이상에서 기인하며 위상적으로 보호된다는 것을 확립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간역행대칭이 깨진 와이울 밴드에서 편극성 이상은 조제프슨 전류 진동에 어떻게 나타나는가?
• RQ2 스핀 보존은 와이울 밴드-초전도체 접합에서 노드 간 전도를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 왜 조제프슨 전류는 $k_0L$ 에 대해 주기적이며, 진동 주기는 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ4 이 진동은 편극성 와이울 노드의 직접적인 서명으로서 실험적으로 감지될 수 있는가?
• RQ5 이 진동은 실제 물질에서의 불순물과 교란에 대해 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 조제프슨 전류는 $k_0L$ 의 함수로 주기적 진동을 보이며, 주기적 성질은 노드 간 거리 $2k_0$ 에 의해 결정된다.
• 진동은 스핀 보존과 시간역행대칭 위반에 의해 보호되는 편극성 이상에 기인한 노드 간 전도에서 기인한다.
• 진동은 강건하며 현재의 실험적 설정에서 측정 가능할 것으로 보이며, 편극성 와이울 노드를 직접 탐지할 수 있는 수단을 제공한다.
• 특정 $k_0L$ 값에서 전류가 0이 되며, 이는 편극성 이상 효과에 의한 초전류의 위상적 억제를 나타낸다.
• 이 진동 행동은 전통적인 조제프슨 효과와 구별되며, 표준 BCS 쌍화 또는 단순한 밴드 구조로는 설명될 수 없다.