[논문 리뷰] Review of experiments on the chiral anomaly in Dirac-Weyl semimetals

N. P. Ong, Sihang Liang|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 16.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 디рак 및 와일 반도체에서의 편극성 이상 현상에 대한 실험적 증거를 검토하며, 주로 종방향 자기저항( LM R)을 핵심 징후로 삼는다. 제안된 시험을 통해 내재된 양자 효과와 전류 제트와 같은 반구상적 예외 현상(예: 전류 제트)을 구별하여, Na3Bi와 GdPtBi에서 관측된 큰 음성 종방향 자기저항은 내재된 것임을 확인하고, TaAs와 NbAs에서는 이는 아마도 예외 현상일 가능성이 높음을 밝혀, 이 분야의 핵심 논란을 해결한다.

ABSTRACT

We provide a review of recent experimental results on the chiral anomaly in Dirac/Weyl semimetals. After a brief introduction, we trace the steps leading to the prediction of materials that feature protected 3D bulk Dirac nodes. The chiral anomaly is presented in terms of charge pumping between the chiral Landau levels of Weyl fermions in parallel electric and magnetic fields. The related chiral magnetic effect and chiral zero sound are described. Current jetting effects, which present major complications in experiments on the longitudinal magnetoresistance, are carefully analyzed. We describe a recent test that is capable of distinguishing these semiclassical artifacts from intrinsic quantum effects. Turning to experiments, we review critically the longitudinal magnetoresistance experiments in the Dirac/Weyl semimetals Na3Bi, GdPtBi, ZrTe5 and TaAs. Alternate approaches to the chiral anomaly, including experiments on non-local transport, thermopower, thermal conductivity and optical pump-probe response are reviewed. In the Supplement, we provide a brief discussion of the chiral anomaly in the broader context of high energy physics and relativistic quantum field theory, as well the anomaly's starring role at the nexus of quantum physics and differential geometry.

연구 동기 및 목표

• 3D 디랙 및 와일 반도체에서의 편극성 이상 현상에 대한 실험적 징후를 비판적으로 평가하는 것, 특히 종방향 자기저항(LMR)에 초점 맞추기.
• 고이동도 와일 반도체인 TaAs와 NbAs에서 관측된 음성 종방향 자기저항이 내재된 것인지 아니면 전류 제트 예외 현상 때문인지에 대한 논란을 해결하는 것.
• 내재된 양자 효과와 반구상적 전류 비균형 현상 사이를 구별할 수 있는 새로운 실험적 시험을 제시하고 검증하는 것.
• 비국소적 운반, 열전력, 열전도도, 그리고 초고속 광학 펌프-프로브 측정과 같은 다른 실험적 탐사 수단을 검토하는 것.
• 양자장론과 미분기하학적 관점에서 편극성 이상 현상을 정렬하여, 그 위상적 기원과 고에너지 물리학에서의 역할을 강조하는 것.

제안 방법

• Na3Bi, GdPtBi, TaAs, ZrTe5의 종방향 자기저항(LMR) 데이터를 분석하여 편극성 이상 현상의 징후를 식별한다.
• 최근 제안된 시험을 적용하여, 자기장 각도에 따른 LMR의 의존도를 기반으로 내재된 양자 효과와 전류 제트 예외 현상 사이를 구별한다.
• 양자장론(QFT)의 이론적 프레임워크를 사용하여 실험 결과를 해석하며, Adler-Bell-Jackiw(ABJ) 이상 현상과 Fujikawa의 경로적분 방법을 포함한다.
• 평행한 전기장 및 자기장에서의 랑주에 수준의 양자화와 편극성 펌프링을 분석하여 편극성 이상 현상의 양자 기구를 설명한다.
• 비국소적 운반, 열전력, 열전도도, 초고속 광학 펌프-프로브 측정과 같은 다른 실험적 접근법을 검토한다.
• 아티야-식이어 색인 정리와 QCD에서의 인stanton 효과를 통해 편극성 이상 현상과 위상적 불변량 사이의 연결 고리를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디랙 및 와일 반도체에서 편극성 이상 현상에 대한 실험적 징후는 무엇인가?
• RQ2 고이동도 와일 반도체인 TaAs와 NbAs는 비단조화적이고 약한 음성 LMR를 보이지만, 저이동도 물질인 Na3Bi와 GdPtBi는 큰 단조로운 음성 LMR를 보인다. 이는 무엇을 의미하는가?
• RQ3 고자기장에서의 전류 제트 효과가 종방향 자기저항 측정에서 내재된 편극성 이상 현상과 유사하거나 이를 가리킬 정도로 영향을 미치는가?
• RQ4 어떻게 실험적으로 내재된 양자적 편극성 이상 현상 효과와 반구상적 예외 현상(예: 전류 제트)을 구별할 수 있는가?
• RQ5 위상적 불변량과 미분기하학이 양자장론 수준에서 편극성 이상 현상을 이해하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• Na3Bi와 GdPtBi에서 관측된 큰 단조로운 음성 종방향 자기저항(25–500%)은 내재된 것으로 확인되었으며, 이는 편극성 이상 현상에서 기인한다.
• 고이동도 와일 반도체인 TaAs와 NbAs에서는 관측된 음성 LMR(0.1–2%)가 전류 제트 예외 현상에서 비롯된 것으로 밝혀졌으며, 내재된 양자 효과는 아님.
• 자기장 각도 의존성에 기반한 LMR 시험은 내재된 편극성 이상 현상 효과와 전류 제트를 성공적으로 구별하였으며, 이는 진단 도구로의 활용 가능성을 검증하였다.
• 디랙-와일 반도체에서의 편극성 이상 현상은 평행한 E 및 B 필드에서의 캐리어 펌프링에 의해 발생하는 캐리어의 편극성 랑주 수준 간의 전하 펌프링과 일치하며, QFT 예측과 부합한다.
• 아티야-식이어 색인 정리를 통해 편극성 이상 현상의 위상적 기원이 확인되었으며, 이는 이상 적분이 편극성 영모드 수의 차이와 대응됨을 보여준다.
• 편극성 이상 현상은 인스탄턴과 QCD에서의 U(1)A 문제와 깊이 연결되어 있으며, 4차원 시공간에서 위상적 전류로 작용함을 보였다.