[논문 리뷰] Probing the chiral anomaly with nonlocal transport in three dimensional topological semimetals

S. A. Parameswaran, Tarun Grover외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 05.

Topological Materials and Phenomena인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 Weyl 및 디랙 반도체와 같은 3차원 위상적 반도체에서 편미분의 이상을 탐지하기 위해 국소 자기장으로 장거리 밸리 불균형을 유도하고, 이로 인해 전류 주입 지점에서 멀리 떨어진 곳에서 측정 가능한 전압 강하가 발생하는 비국소적 운반 프로토콜을 제안한다. 자기장이 전류와 수직일 경우 이 효과는 사라지며, 이는 편미분 이상의 명확한 서명을 제공한다. 이는 나트륨 비스비드(Na3Bi)와 같은 고이동도 물질에서도 견고하게 유지되며, 추정되는 회복 길이가 약 ~10 마이크론에 이른다.

ABSTRACT

Weyl semimetals are three-dimensional crystalline systems where pairs of bands touch at points in momentum space, termed Weyl nodes, that are characterized by a definite topological charge: the chirality. Consequently, they exhibit the Adler-Bell-Jackiw anomaly, which in this condensed matter realization implies that application of parallel electric ($\mathbf{E}$) and magnetic ($\mathbf{B}$) fields pumps electrons between nodes of opposite chirality at a rate proportional to $\mathbf{E}\cdot\mathbf{B}$. We argue that this pumping is measurable via nonlocal transport experiments, in the limit of weak internode scattering. Specifically, we show that as a consequence of the anomaly, applying a local magnetic field parallel to an injected current induces a valley imbalance that diffuses over long distances. A probe magnetic field can then convert this imbalance into a measurable voltage drop far from source and drain. Such nonlocal transport vanishes when the injected current and magnetic field are orthogonal, and therefore serves as a test of the chiral anomaly. We further demonstrate that a similar effect should also characterize Dirac semimetals --- recently reported to have been observed in experiments --- where a pair of Weyl nodes coexisting at a single point in the Brillouin zone are protected by a crystal symmetry. Since the nodes are analogous to valley degrees of freedom in semiconductors, this suggests that valley currents in three dimensional topological semimetals can be controlled using electric fields, which has potential practical `valleytronic' applications.

연구 동기 및 목표

• Weyl 및 디랙 반도체와 같은 3차원 위상적 반도체에서 편미분 이상을 직접 실험적으로 탐지할 수 있는 방법을 제공함으로써, 이는 일반적으로 직접 관측하기 어려운 현상이다.
• 편미분 이상으로 유도된 밸리 불균형이 느린 간벌리 스캐터링로 인해 장거리로 확산될 수 있음을 보여주며, 이는 비국소적 전압 탐측을 가능하게 한다.
• 비국소적 반응이 자기장이 전류와 정렬된 정도에 따라 크게 달라지므로, 기존의 옴 효과와의 구별 서명이 된다.
• 나트륨 비스비드(Na3Bi)와 같은 고이동도 물질에서 이 효과가 관측 가능하다는 것을 입증하며, 이는 측정 가능한 비국소 신호를 위한 충분히 긴 회복 시간을 제공한다.
• 금속 접촉을 사용하면서도 강력한 비국소 신호를 유지할 수 있는 실용적 기하구조(예: H-기하구조)를 제안함으로써, 리드에 의한 회복 효과를 최소화한다.

제안 방법

• 이 방법은 Weyl 또는 디랙 반도체의 전류가 흐르는 영역에 국소 자기장을 평행하게 적용하여 편미분 이상을 유도하고, 이로 인해 밸리 불균형이 발생하도록 한다.
• 느린 간벌리 스캐터링로 인해 밸리 불균형이 장거리로 확산되며, Na3Bi에서 추정되는 확산 길이는 약 ~10 마이크론이다.
• 멀리 떨어진 프로브 자기장이 편미분 이상 메커니즘을 통해 춴적된 밸리 불균형을 측정 가능한 비국소 전압 강하로 변환한다.
• 전류 주입과 전압 탐측이 공간적으로 분리된 기하구조를 사용하여, 신호가 비국소적이며 옴 기여와 명확히 구별됨을 보장한다.
• 대안으로 H-기하구조가 제안되며, 이는 대규모의 소스 및 탐측 영역이 좁은 다리로 연결되어 있어, 접촉에 의한 회복 효과의 영향을 줄이고 신호 무결성을 향상시킨다.
• 스크리닝된 불순물 스캐터링 모델을 사용하여 간벌리 회복 시간을 추정하여 τi ~ 10³τc를 도출하고, Na3Bi에서의 확산 길이가 약 10 μm로 추정되며, 이는 실험적으로 접근 가능한 범위이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 위상적 반도체에서 편미분 이상은 비국소적 운반 측정을 통해 탐지될 수 있는가?
• RQ2 비국소적 전압 반응은 자기장이 전류에 대해 어떤 방향으로 정렬되어 있는지에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 Na3Bi와 같은 고이동도 Weyl 및 디랙 반도체에서 밸리 불균형의 특성 확산 길이는 얼마인가?
• RQ4 금속 접촉을 비국소적 운반 설정에서 사용할 수 있으며, 만약 가능하면 어떤 기하구조에서 가능한가?
• RQ5 실제 물질에서 편미분 이상의 영향은 기존의 옴 운반과 얼마나 명확히 구별될 수 있는가?

주요 결과

• 편미분 이상은 느린 간벌리 스캐터링로 인해 고이동도 물질(Na3Bi 등)에서 약 ~10 마이크론까지 장거리로 확산되는 장거리 밸리 불균형을 유도한다.
• 비국소적 전압 반응은 자기장이 전류와 수직일 경우 사라지며, 이는 기존 운반과의 구별을 위한 방향성 서명을 제공한다.
• Na3Bi에서 추정된 간벌리 회복 시간은 τi ~ 10³τc이며, 이는 약 10 마이크론의 확산 길이에 해당하며, 실험적으로 접근 가능한 범위이다.
• H-기하구조 설계는 생성 및 탐측 영역을 분리함으로써 금속 접촉의 사용을 가능하게 하며, 접촉에 의한 회복 효과의 영향을 줄인다.
• 비국소 신호는 강인하며, 물질의 특성 매개변수와 독립적으로 조절 가능하며, 그 크기에 기본적인 한계가 없다.
• 이 프로토콜은 실용적이고 명확히 식별 가능한 편미분 이상의 실험적 서명을 제공하여, 실제 물질에서 Weyl 및 디랙 반도체를 식별하는 데 유망한 도구가 된다.