[논문 리뷰] Signature of the chiral anomaly in a Dirac semimetal: a current plume steered by a magnetic field

Jun Xiong, Satya Kushwaha외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 27.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 17인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 고도로 비대칭적이고 음성 자기저항 플룸을 통해 디라크 반도체 Na₃Bi에서 편극성 이상의 실험적 관찰를 보고한다. 이 플룸은 적용된 자기장 및 전기장 방향과 밀접하게 锁정되어 있으며, 자기장에 의한 콜리메이션과 조향을 통해 편극성 축 전류의 존재를 확인한다. 이 전류의 내부 노드 산란 수명은 매우 길다 (τᵥ/τ_tr ≈ 40–60), 고체계에서 편극성 이상의 직접적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

In this talk, we describe recent experimental progress in detecting the chiral anomaly in the Dirac semimetal Na$_3$Bi in the presence of a magnetic field. The chiral anomaly, which plays a fundamental role in chiral gauge theories, was predicted to be observable in crystals by Nielsen and Ninomiya in 1983 [1]. Theoretical progress in identifying and investigating Dirac and Weyl semimetals has revived strong interest in this issue [2-6]. In the Dirac semimetal, the breaking of time-reversal symmetry by a magnetic field $\bf B$ splits each Dirac node into two chiral Weyl nodes. If an electric field $\bf E$ is applied parallel to $\bf B$, charge is predicted to flow between the Weyl nodes. We report the observation in the Dirac semimetal Na$_3$Bi of a novel, negative and highly anisotropic magnetoresistance (MR). We show that the enhanced conductivity has the form of a narrowly defined plume that can be steered by the applied field. The novel MR is acutely sensitive to deviations of $\bf B$ from $\bf E$, a feature incompatible with conventional transport. The locking of the current plume to the field appears to be a defining signature of the chiral anomaly.

연구 동기 및 목표

• 적용된 자기장 및 전기장 하에서 디라크 반도체 Na₃Bi에서 편극성 이상을 탐지하기.
• 편극성 이상이 전통적인 운반체 운반과는 다름없이 콜리메이션된, 필드에 따라 방향을 잡는 전류 플룸으로 나타남을 보여주기.
• 자기저항 패턴이 B 및 E의 정렬에 유일하게 锁정되어 있음을 입증하여, 표준 피에르 표면 비대칭성과의 불일치를 확인하기.
• 내부 노드 산란에 대한 리커일 시간을 측정하여, 편극성 이상 물리학에 부합하는 이국적인 긴 수명을 드러내기.
• 간접적인 음성 자기저항을 초월하여 3D 디라크 반도체에서 편극성 이상의 확실한 실험적 서명을 제공하기.

제안 방법

• 다양한 정렬 방향에서 자기장(B) 및 전기장(E)을 적용한 단일 결정 Na₃Bi에서 저온 운반 측정 수행.
• 자기장 및 전기장의 각도를 변화시키며 다양한 결정 축(x, y, z)에 따라 縦방향 자기저항(MR) 측정하여 각도 의존성 탐색.
• R₁₄,₂₃ 및 R₃₅,₂₆ 구성 방식을 통해 도전도 변화 Δσₓₓ를 추출하기 위해 자기저항 비대칭성 분석.
• 관측된 도전도 증가의 B² 의존성에 이론적 표현 σₓₓ/σ₀ ∝ (k_Fℓ_B)⁻⁴(τᵥ/τ_tr)을 피팅하여 내부 노드 산란 수명 측정.
• x–y 및 x–z 평면에서 B의 각도를 변화시켜 전류 플룸의 각도 폭을 매핑하고 필드 정렬 의존성 테스트.
• 최대 35 T까지 측정하여 고자기장 불안정성과 Hₖ ∼ 23 T에서의 음성 MR 특성의 진화 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디라크 반도체에서 편극성 이상은 운반 측정을 통해 실험적으로 관찰될 수 있는가?
• RQ2 편극성 이상은 자기장 방향에 의해 콜리메이션되고 조향되는 전류 플룸을 생성하는가?
• RQ3 관측된 자기저항 패턴은 E 및 B의 정렬에 유일하게 锁정되어 있으며, 전통적인 비대칭 운반과의 차이를 보이는가?
• RQ4 편극성 전류의 내부 노드 산란에 대한 리커일 시간은 얼마이며, 표준 운반 수명과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 편극성 이상 이론이 예측한 바와 같이 고자기장에서 전류 플룸의 각도 폭이 좁아지는가?

주요 결과

• Na₃Bi에서 새로운 고도로 비대칭적인 음성 자기저항이 관측되었으며, 이는 매우 좁은 콜리메이션된 전류 플룸을 형성하고 자기장 방향에 따라 조향된다.
• E 및 B가 공선일 때 전류 플룸이 최대화되며, 저자기장에서 cos⁴φ 또는 cos⁴θ에 따라 각도 의존성이 일치하며, B > 2 T에서 크게 좁아진다.
• 도전도 증가가 B² 의존성을 따르며, 편극성 이상 메커니즘의 이론적 예측을 확인한다.
• 내부 노드 산란 수명과 운반 수명의 비율 τᵥ/τ_tr ≈ 40–60으로 측정되었으며, 이는 편극성 전류 감쇠에 대해 이국적인 긴 수명을 나타낸다.
• 고자기장(최대 35 T)에서, 자기장이 y축 방향으로 정렬되었을 때 Hₖ ∼ 23 T에서 새로운 특징이 나타났으며, 전자적 불안정성을 시사하지만, B||x일 경우 축 전류는 여전히 강건하게 유지된다.
• 약한 자기장(B < 1 T)에서 음성 MR 패턴의 필드 조향은 전통적인 피에르 표면 비대칭성과 호환되지 않으며, 편극성 이상에 대한 강력한 증거를 제공한다.