[논문 리뷰] Detection of chiral anomaly and valley transport in Dirac semimetals

Cheng Zhang, Enze Zhang외 11명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 29.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 평행한 전기장과 자기장을 적용하여 디락 반구금체 Cd3As2에서 편극성 이상과 밸리 전도를 실험적으로 입증한다. 음성 자기저항과 편극성 불균형을 나타내는 필드 유도 케러 효과를 관측함으로써 이를 확인한다. 강건한 비국소적 밸리 확산은 실온까지 유지되며, 이는 위상적 편극성 페르미온 행동을 확인하고, 밸리트로닉 장치를 위한 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

Chiral anomaly is a non-conservation of chiral charge pumped by the topological nontrivial gauge field. As an analogy to the similar phenomenon in high-energy physics, the chiral anomaly in condensed matter is predicted to exist in the emergent quasiparticle excitations in Dirac and Weyl semimetals. However, the current understanding of such concept mostly remains in the theoretical consideration, which lacks of convincing experimental identification. Here, for the first time, we experimentally observe the existence of the chiral anomaly and the related valley transport in Cd3As2. We find that the chiral imbalance induced by external electric and magnetic fields leads to a non-zero gyrotropic coefficient {\gamma}, which can be confirmed by the field-generated Kerr effect. By applying B along the current direction, we observe a negative magnetoresistance despite the giant positive one at other directions, a clear indication of the chiral anomaly. Remarkably, a robust nonlocal response from valley diffusion originated from the chiral anomaly is observed up to room temperature when B is parallel to E. Our discovery of the chiral anomaly in Cd3As2 Dirac semimetal opens up a brand-new route to understand its fundamental properties with a controllable chiral imbalance through external fields and utilize the chiral fermions in valleytronic applications.

연구 동기 및 목표

• 디락 반구금체에서 편극성 이상 현상을 이론적으로만 예측된 바 있었던 것을 실험적으로 검증하기 위해.
• 실재 물질 체계에서 측정 가능한 전자기 응답을 통해 편극성 불균형을 규명하기 위해.
• 외부 전기장과 자기장을 가한 조건에서 편극성 이상에 의해 유도된 밸리 전도를 입증하기 위해.
• 고온에서 비국소적 밸리트로닉 응용을 위한 편극성 페르미온의 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• Cd3As2에서 편극성 불균형을 유도하기 위해 평행한 전기장(E)과 자기장(B)을 적용한다.
• 비영제 편극성 계수 γ가 비영제인지를 확인하기 위해 필드 유도 케러 효과를 측정한다. 이는 편극성 전하 보존의 위반을 시사한다.
• B가 E와 정렬된 상태에서 음성 자기저항을 관측함으로써 편극성 이상의 상징적 특징을 확인한다.
• 비국소 전기적 전도 측정을 통해 편극성 불균형에서 기인하는 밸리 확산을 탐지한다.
• 장의 방향을 체계적으로 변화시켜 전통적 자기저항과 편극성 이상 효과를 구별한다.
• 실온에서의 작동을 통해 실용적 응용을 위한 편극성 전도의 강건성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디락 반구금체에서 편극성 이상 현상은 측정 가능한 전자기 응답을 통해 실험적으로 관찰될 수 있는가?
• RQ2 Cd3As2에서 편극성 이상에 의해 유도된 현상에서 밸리 전도는 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 전기장과 자기장의 정렬이 자기저항과 편극성 전하 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 편극성 불균형 존재 하에서 비국소적 밸리 전도는 실온까지 얼마나 오래 지속되는가?
• RQ5 케러 효과를 통한 비국소적 편극성 계수 γ의 실험적 정량화가 편극성 이상의 서명을 확인하는 데 가능한가?

주요 결과

• 자기장이 전류 방향과 일치할 때 음성 자기저항이 관측되어 편극성 이상의 직접적 증거가 된다.
• 필드 유도 케러 효과를 통해 비영제 편극성 계수 γ가 확인되어 편극성 전하 보존의 위반이 나타남을 시사한다.
• 평행한 E와 B 필드 하에서 실온까지도 강건한 비국소 전기적 응답이 밸리 확산으로부터 탐지된다.
• 편극성 이상은 측정 가능한 편극성 불균형을 유도하며, 외부 필드 제어 하에서도 지속된다.
• 관측된 밸리 전도는 강력하고 안정적이며 강한 자기장이 없이도 탐지 가능하므로 실온에서의 밸리트로닉 응용 가능성을 열어준다.
• 편극성 이상의 실험적 서명은 전통적 양성 자기저항과 다름을 보이며, 이는 그 위상적 기원을 확인한다.