[논문 리뷰] Observation of the Adler-Bell-Jackiw chiral anomaly in a Weyl semimetal

Chenglong Zhang, Su‐Yang Xu외 17명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 09.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 27인용 수 82

한 줄 요약

이 논문은 탄탈룸 아르세나이드(Weyl 반도체인 TaAs)에서 자장 및 전계를 평행으로 적용한 조건에서, 전자기적 전도도 측정을 통해 Adler-Bell-Jackiw의 치랄 이상 현상의 첫 실험적 관측을 보고한다. 연구는 전기장과 자기장이 평행할 경우, 물질이 온도에 독립적인 2차원 자기전도도 증가를 보이며 강한 각도 의존성을 나타내어, 치랄 전하의 비보존성에 기인한 현상임을 확인한다. 이는 고체계에서 Weyl Fermion의 첫 번째 전도 서명을 제공한다.

ABSTRACT

We report the experimental discovery of Adler-Bell-Jackiw chiral anomaly in a Weyl semimetal crystal.

연구 동기 및 목표

• 양자장론에서 예측된 바 있으나 이전까지 양자물질계에서 관측되지 않은 Adler-Bell-Jackiw 치랄 이상 현상을 Weyl 반도체에서 실험적으로 관측하고자 한다.
• 외부 자기장과 전계를 가했을 때 치랄 전하의 비보존성을 통해 Weyl Fermion의 명확한 전도 서명을 식별하고자 한다.
• 고이동도 Weyl 반도체인 TaAs에서 치랄 이상 현상과 측정 가능한 전기적 전도도 사이의 직접적인 연관성을 확립하고자 한다.
• 이론적 예측된 치랄 이상 현상의 피에르 에너지 및 자기장 방향에 따른 스케일링을 체계적인 측정을 통해 검증하고자 한다.
• 실재 물질에서 강력한 치랄 이상 현상의 존재를 입증함으로써 향후 '밸리트로닉스' 장치의 기초를 마련하고자 한다.

제안 방법

• 전기장과 자기장이 평행하고 각도를 변화시킬 수 있도록 고이동도 TaAs 단일결정에서 저온 자기전도도 측정을 수행한다.
• 치랄 이상 현상과 전통적 전도도 기여를 분리하기 위해 다항식 피팅 함수(Eq. 2)를 사용하며, Weyl 노드 반응 및 피에르 고리 기여 항을 포함한다.
• 자기전도도의 각도 의존성을 측정하여, E∥B일 때 최대값을 보이고 수직 구성일 때 감소하는지를 검증한다.
• Weyl 노드의 위치와 피에르 에너지를 매핑하기 위해 각도 해상도가 높은 광전자 방출 분광법(ARPES)을 수행하여 치랄 이상 현상이 특정 노드에 기인함을 지지한다.
• 이론적 모델링을 통해 치랄 이상 현상 기여가 ∝E_F^−2 비례하고 저온에서 온도에 약간의 의존성만 보이며, 실험 데이터와 일치함을 확인한다.
• 다른 피에르 에너지(−1.5 meV 및 +3.0 meV)를 가진 두 샘플(S1 및 S2)의 결과를 비교하여 치랄 이상 현상의 E_F^−2 스케일링 예측을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기장과 자기장이 평행할 때 Weyl 반도체에서 치랄 이상 현상이 자기전도도 증가로 측정 가능한 형태로 나타나는가?
• RQ2 이론 예측과 같이 저온에서 치랄 이상 현상의 전도도 기여가 온도에 독립적인가?
• RQ3 대칭 원리에 따라 전기장과 자기장이 비일치할 경우 치랄 이상 현상이 사라지는가?
• RQ4 이론 모델이 요구하는 바와 같이 치랄 이상 현상의 크기가 피에르 에너지의 제곱의 역수 비례로 증가하는가?
• RQ5 다항식 피팅 모델을 통해 치랄 이상 현상 기여를 전통적 전도도 기여에서 분리할 수 있는가?

주요 결과

• 20 K 이하에서 치랄 이상 현상 기여가 거의 온도에 독립적이며, 저온에서의 약한 온도 의존성에 대한 이론 예측을 확인한다.
• E∥B 조건에서 치랄 이상 현상 기여가 급격히 최대가 되고, 5°의 각도에서도 거의 0으로 감소함을 확인하여 강한 각도 의존성을 입증한다.
• 피에르 에너지가 각각 −1.5 meV 및 +3.0 meV인 두 샘플의 치랄 이상 현상 크기를 측정한 결과 비율이 5.0으로 나타났으며, 이는 예측된 E_F^−2 스케일링(기대 비율 4.0)과 일치한다.
• 치랄 이상 현상 기여가 자기전도도에서 2차항 H² 의존성으로 잘 기술되며, 피팅을 통해 추출한 계수 C_W는 이론 모델을 지지한다.
• 데이터는 두 개의 별도된 자기전도도 피크를 보이며, 하나는 영자기장에서(전통적 전도도), 다른 하나는 유한한 자기장에서(치랄 이상 현상) 관측되어 치랄 이상 현상의 존재를 확인한다.
• 이론적 및 ARPES 결과는 치랄 이상 현상이 주로 Weyl 노드 W2에서 기인하며, W1의 기여는 약 50배 감소되어 억압됨을 확인한다.