[논문 리뷰] Chiral magnetic effect of Weyl fermions and its applications to cubic noncentrosymmetric metals

Pallab Goswami, Sumanta Tewari|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 06.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 테이프-바인딩 격자 모델을 사용하여 입방계 비중심비대칭 금속에서 편극자 자기효과(CME)를 입증한다. 여기서 에너지로 분리된 편극자 노드를 가진 와이울 페르미온은 적용된 자기장 방향으로 비소산 전류를 생성한다. 연속체 근사 이론을 초월하여도 CME 전도도는 유한하며, 측정 가능한 전류 밀도(~1 T 및 300 K에서 3.3 A/mm²)를 보이며, 이는 이러한 물질이 위상적 CME를 관찰할 수 있는 실현 가능한 플랫폼임을 입증하고, 자기장 센서 응용 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

When the right and the left handed Weyl points are separated in energy, they give rise to a non-dissipative charge current along the direction of a uniform applied magnetic field, even in the absence of an external electric field. This effect is known as the chiral magnetic effect and is a hallmark of the underlying chiral anomaly of the Weyl fermions. According to the linearized continuum theory of Weyl fermions, the induced current is proportional to the magnetic field strength and the energy separation with a universal coefficient $e^2/h^2$. By considering a generic tight binding model for the cubic noncentrosymmetric metals, we show that such a system naturally supports a set of Weyl points, which are separated in energies. We also show the existence of the chiral magnetic effect for generic band parameters, and recover the universal result of the continuum Weyl fermions for a restricted parameter regime. Therefore, cubic noncentrosymmetric metals can serve as suitable platforms for realizing Weyl fermions and the exotic chiral elctrodynamic phenomena, which have promising technological applications.

연구 동기 및 목표

• 와이울 반도체의 실제 격자 모델에서 편극자 자기효과(CME) 존재를 입증하여, 격자 효과로 인해 CME가 사라진다는 주장에 도전한다.
• 스핀-오비트 결합으로 인해 에너지로 분리된 편극자 노드를 가진 와이울 페르미온을 가질 수 있는 입방계 비중심비대칭 금속을 자연스러운 주체로 규명한다.
• 선형화된 연속체 근사 이론을 초월하여 임의의 밴드 구조에 적용 가능한 편극자 자기 전도도의 일반 공식을 유도한다.
• 수치적으로 CME 전도도를 정량화하고 실온에서의 안정성을 입증하여 실험적 탐지 가능성을 확보한다.

제안 방법

• 스핀-오비트 결합을 포함하여 입방계 비중심비대칭 금속에 대한 일반적인 테이프-바인딩 해밀토니안을 수립하여 에너지로 분리된 와이울 점을 실현한다.
• 베리 기울기와 페르미 표면 기여를 사용하여 반고전적 공식을 유도하며, 핵심 항은 페르미 함수의 도함수를 포함한다.
• 유도된 전도도 공식을 적용하여 다양한 밴드 매개변수와 온도에서 σ_ch를 수치적으로 계산하며, T=0 및 유한 온도 영역을 포함한다.
• 운동량 공간에 대한 수치적 적분을 수행하여 편극자 자기 전도도를 평가하고, 적절한 매개변수 영역에서 보편적인 연속체 근사 결과와 일치함을 검증한다.
• Li2Pt3B의 밀도함수이론 기반 연구에서 유도된 매개변수화를 사용하여 실제 밴드 매개변수를 모델링하고 온도 의존성을 평가한다.
• 결과를 연속체 근사 예측값 σ_ch = e²Δ/h²와 비교하여, 저에너지 및 장파장 영역에서 일치함을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 격자 모델에서 와이울 페르미온에 대해 편극자 자기효과가 유지되는가? (격자 효과에 대한 우려가 있음)
• RQ2 입방계 비중심비대칭 금속이 스핀-오비트 결합으로 인해 에너지로 분리된 편극자 노드를 가진 와이울 페르미온을 수용할 수 있는가?
• RQ3 실제 물질에서 실온에서 편극자 자기 전도도가 유한하고 측정 가능한가?
• RQ4 비연속체 영역에서 편극자 자기 전도도가 밴드 매개변수와 온도에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 선형화된 연속체 이론을 초월하여 적용 가능한 일반적인 편극자 자기 전도도 공식을 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 와이울 페르미온의 격자 모델에서도 편극자 자기효과는 유한하며, 선형화된 연속체 근사가 붕괴될 경우에도 존재함을 확인한다.
• 실온에서 편극자 자기 전도도 σ_ch는 실질적인 밴드 매개변수를 가진 Li2Pt3B에서 약 0.09t₁e²/h²로 여전히 상당히 크다.
• 1 가우스의 자기장과 실온 조건에서 유도된 전류 밀도는 약 ~3.3 A/mm²에 도달하며, 이는 실험적으로 측정 가능한 수준이다.
• 유도된 편극자 자기 전도도 공식은 적절한 매개변수 영역에서 보편적인 연속체 결과 σ_ch = e²Δ/h²를 정확히 재현한다.
• CME는 주로 페르미 함수의 도함수(즉, 페르미 표면)에서 기인하며, 페르미 함수 자체에서 기인하지 않음을 보여주며, 비소산 전도에서 베리 기울기의 역할을 부각시킨다.
• t₃/t_SO > 0.02에서도 시스템이 연속체 근사에서 벗어나지만 σ_ch는 여전히 유한하며, 격자 시스템에서 CME의 강건성을 입증한다.