[논문 리뷰] Floquet dynamics in multi-Weyl semimetals

Amit Gupta|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 21.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고 monopole 전하 J를 가진 물질에서 원형 편광 빛의 주기적 조사가 비자명한 절연체에서 다중 와일 실반금속(m-WSM)으로의 토폴로지적 위상 전이를 유도할 수 있음을 제안한다. 레이저 강도를 조절함으로써, 조절 가능한 분리 간격을 가진 와일 노드가 나타나며, 이는 $A_0^{2J}$ 비례하는 큰 비정상 홀 전도도를 나타낸다. 이는 운반성 또는 펌프-프로브 ARPES 실험을 통해 측정 가능하다.

ABSTRACT

Multi-Weyl semimetals(m-WSMS) are characterized by anisotropic non-linear energy dispersion along 2-D plane and a linear dispersion in orthogonal direction. They have topological charge J and are realized when two or multiple Weyl nodes with nonzero net monopole charge bring together onto a high-symmetry point. The model Hamiltonians of such systems show various phases such as trivial normal insulators (NIs), WSMs and quantum anomalous Hall(QAH) states depending on the model parameters. We study a periodic driving of such Hamiltonians in trivial NI phase by circularly polarized light and shows this phase can be tunable to Weyl semimetals phase. This transition can be accomplished with large anomalous Hall conductivity which could be observed in transport measurements or pump-probe angle resolved photoemission spectroscopy experiments.

연구 동기 및 목표

• 주기적 드라이브 조건 하에서 단극자 전하 J > 1인 다중 와일 실반금속(m-WSMs)의 플로케트 공학을 조사하기 위해.
• 원형 편광 빛을 이용해 비자명한 절연체(NI)에서 와일 실반금속(WSM) 상태로의 토폴로지적 위상 전이를 유도할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 드라이브된 m-WSM 상태에서 큰 비정상 홀 전도도의 발생과 레이저 매개변수에 의한 조절 가능성을 정량화하기 위해.
• 운반성 및 ARPES 측정에서 관측 가능한 위상 전이의 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 원형 편광 빛에 의해 주기적으로 변화하는 m-WSMs의 시간 주기 해밀토니안에 플로케트 이론의 형식을 적용하였다.
• 레이저 장을 페일러스 대체법을 통해 도입하여, 시스템의 동역학을 기술하는 효과적인 시간 평균 해밀토니안을 유도하였다.
• 확장된 플로케트 공간에서 플로케트 해밀토니안을 대각화하여 에너지 스펙트럼을 수치적으로 계산하였으며, 갭 닫힘과 재개를 관찰하였다.
• 플로케트 밴드 구조 내에서 베리 기울기와 페르미-디랙 분포를 포함한 선형 반응 이론을 사용하여 비정상 홀 전도도를 계산하였다.
• 고정된 $k_z$ 평면에서의 카른 수 $C(k_z)$를 계산하여 토폴로지적 위상 상태를 식별하였으며, WSM 상태에서는 $C = J$임을 확인하였다.
• 영온도 및 영화학적 화학포텐셜 조건에서 비정상 홀 전도도의 해석적 표현을 유도하였으며, $\sigma_{xy} \propto A_0^{2J}$임을 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단극자 전하 J를 가진 시스템에서 원형 편광 빛이 비자명한 절연체에서 다중 와일 실반금속으로의 토폴로지적 위상 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ2 레이저 강도와 주파수는 드라이브된 m-WSM 상태에서 와일 노드의 위치와 분리 간격을 어떻게 제어하는가?
• RQ3 비정상 홀 전도도는 레이저 필드 진폭과 단극자 전하 J에 대해 어떻게 의존하는가?
• RQ4 펌프-프로브 ARPES 또는 운반성 측정을 통해 위상 전이와 관련된 운반성 서명을 실험적으로 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 원형 편광 빛의 적용은 비자명한 절연체에서 다중 와일 실반금속 상태로의 토폴로지적 위상 전이를 유도하며, 삼중 와일 실반금속 모델에서 $A_0 \approx 1.4$에서 갭이 닫힘을 보였다.
• 레이저 강도가 증가함에 따라 와일 노드가 $k_y$-방향으로 대칭적으로 나타나며, 그 분리 간격은 $A_0$에 비례하여 증가한다.
• 비정상 홀 전도도 $\sigma_{xy}(A_0)$는 고정된 주파수 $\omega$에서 $A_0^{2J}$에 비례하며, $\sigma_{xy}(A_0) = J \frac{e^2}{h\pi} \sqrt{(t_z - m_z + \frac{A_0^{2J} \alpha_J^2}{J\omega}) / (0.5 t_z)}$로 표현된다.
• 와일 노드가 존재하는 운동량 평면에서 카른 수 $C(k_z) = J$이며, 이는 위상 상태의 토폴로지적 성격을 확인한다.
• 큰 비정상 홀 반응과 조절 가능성이 있기 때문에, 이 전이는 운반성 측정과 펌프-프로브 ARPES에서 관측 가능하다.
• 모델은 실재 물질에서의 실험적 실현이 없더라도, 광학적 제어를 통해 삼중 와일 실반금속을 실현할 수 있음을 예측한다.