[논문 리뷰] Intrinsic chiral magnetic effect in Dirac semimetals due to dislocations

M. N. Chernodub, M. A. Zubkov|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 31.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 디рак 준금속에서의 불완전성이 잠재적 자기장의 기원이 되어, 불완전성 축을 따라 초순수한 편극성 페르미온 모드를 유도하는 내재된 편극성 자기효과를 제안한다. 외부 전기장이 불완전성 축에 평행하게 가해지면 스펙트럼 흐름이 축적된 축성 전하를 펌프질하고, 내재된 자기장이 종방향 전류를 생성하여 운반 측정에서 전도도를 향상시킨다.

ABSTRACT

A dislocation in a Dirac semimetal carries an emergent magnetic flux parallel to the dislocation axis. We show that due to the emergent magnetic field the dislocation accommodates a single fermion massless mode of a corresponding low-energy one-particle Hamiltonian. The mode is propagating along the dislocation with its spin directed parallel to the dislocation axis. In agreement with the chiral anomaly observed in Dirac semimetals, an external electric field to the spectral flow of the one-particle Hamiltonian by pumping the fermionic quasiparticles out from vacuum and creating a nonzero axial (chiral) charge in the vicinity of the dislocation. In the presence of the chirality imbalance, the intrinsic magnetic field of the dislocation generates an electric current along the dislocation axis. We point out that this effect – which is an intrinsic analogue of the chiral magnetic effect – may experimentally reveal itself through transport measurements in Dirac semimetals via enhanced conductivity when the external electric field is parallel to the dislocation axis.

연구 동기 및 목표

• 디랙 준금속에서의 불완전성이 초래하는 편극성 페르미온 모드의 기원을 조사하기 위해.
• 불완전성에서 기인하는 잠재적 자기장이 외부 전기장 하에서 축성 전하 펌프를 어떻게 유도하는지 이해하기 위해.
• 불완전성의 내재된 자기장이 편극성 자기효과를 통해 종방향 전류를 생성하는 방식을 입증하기 위해.
• 외부 전기장이 불완전성 축과 일치할 경우 측정 가능한 운반 서명 — 즉, 증가된 전도도 — 를 제안하기 위해.

제안 방법

• 저에너지 효과 해밀토니안에서 불완전성을 축에 평행한 잠재적 자기장의 근원으로 모델링하기.
• 일개 입자 해밀토니안을 분석하여 불완전성 축을 따라 전파되는 유일한 질량이 없는 페르미온 모드를 식별하기.
• 외부 전기장을 도입하여 스펙트럼 흐름을 유도하고, 진공에서 준입자를 펌프질하여 축성(편극성) 전하를 생성하기.
• 편극성 불균형이 존재하는 상황에서 불완전성의 내재된 자기장이 유도하는 전류를 계산하기.
• 대칭성과 토폴로지적 고려를 통해 편극성 이상과 불완전성 축을 따라 발생하는 순전류의 기원을 연결하기.
• 디랙 준금속에서의 운반 측정을 통해 실험적으로 관측 가능한 서명 예측하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디랙 준금속에서의 불완전성은 어떻게 잠재적 자기장과 관련된 편극성 페르미온 모드를 유도하는가?
• RQ2 외부 전기장 하에서 스펙트럼 흐름을 통해 축성 전하 펌프를 가능하게 하는 편극성 이상의 역할은 무엇인가?
• RQ3 불완전성의 내재된 자기장은 어떻게 축을 따라 순전류를 생성하는가?
• RQ4 외부 전기장이 불완전성 축과 평행할 경우 기대할 수 있는 측정 가능한 운반 반응은 무엇인가?
• RQ5 이 효과는 편극성 자기효과의 내재된 유사체로 어떻게 간주될 수 있는가?

주요 결과

• 디랙 준금속에서의 불완전성은 스핀이 축과 평행으로 정렬된 불완전성 축을 따라 전파되는 단일 편극성 페르미온 모드를 수반한다.
• 불완전성에서 기인하는 잠재적 자기장은 편극성 이상을 유도하여 외부 전기장 하에서 스펙트럼 흐름을 가능하게 한다.
• 편극성 이상으로 인해 불완전성 부근에 축성 전하가 펌프질되어 편극성 불균형이 발생한다.
• 불완전성의 내재된 자기장은 편극성 불균형에 반응하여 불완전성 축을 따라 순전류를 생성한다.
• 외부 전기장이 불완전성 축과 평행하게 가해질 경우 종방향 전도도가 증가함을 예측한다.
• 이 효과는 디랙 준금속에서 내재된 편극성 자기효과를 탐지하기 위한 뚜렷한 운반 서명을 제공한다.