[논문 리뷰] Strain in Weyl semimetals. A continuum approach

Vicente Arjona, María A. H. Vozmediano|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 07.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 와이울 반도체에서 변형에 대한 연속체 장 이론 접근법을 제안하며, 이전에 2D 디рак 물질에서 부재했던 변형 계수 텐서의 비대칭 부분이 새로운 전자-음향 결합을 유도함을 밝혀낸다. 이러한 결합은 새로운 탄성 게이지 장, 콘 기울임, 가짜-제이만 효과를 포함하며, 기존의 변형 잠재력 이론을 초월해 저에너지 전자 응답을 근본적으로 변화시킨다.

ABSTRACT

The coupling of lattice deformations to the low energy electronic excitations of Dirac matter involve novel types of electron--phonon couplings as the celebrated elastic gauge fields first analyzed in graphene. In the continuum low energy approach, lattice deformations coupling to the electronic degrees of freedom are characterized by the (symmetric) strain tensor defined in elasticity theory. We review these couplings in Weyl semimetals and examine the coupling of electronic excitations to the antisymmetric part of the deformation gradient tensor associated to rotational strain. The new couplings, absent in the two dimensional materials, have important physical implications: they give rise to new elastic gauge fields, contribute to the deformation potential, tilt the cones and generate new pseudo--Zeeman couplings.

연구 동기 및 목표

• 디랙 및 와이울 반도체에서 변형의 연속체 기술을 대칭 변형 텐서를 초월해 확장하기.
• 3차원 와이울 반도체에서 변형 계수 텐서의 비대칭 부분에서 유래하는 물리적 효과를 규명하고 특성화하기.
• 이전에 2D 시스템에서 무시되었던 회전 변형이 새로운 전자 결합을 생성하고 밴드 구조를 어떻게 수정하는지 규명하기.
• 변형 하에서 저에너지 유효 해밀토니안에 있는 탄성 게이지 장과 가짜-제이만 항의 역할을 명확히 하기.

제안 방법

• 격자 해밀토니안의 연속체 근사를 사용하여 탄성 이론에서 유도된 변형 텐서를 포함하는 형식을 개발한다.
• 변형 계수 텐서를 대칭(변형) 및 비대칭(회전) 부분으로 분해하고, 후자를 게이지 장으로 간주한다.
• 대칭 및 비대칭 변형 성분과의 결합을 포함한 저에너지 유효 해밀토니안을 유도한다.
• 전자 스펙트럼을 변형 조건 하에서 분석하여 콘 기울임 및 새로운 가짜 스핀-오르빗 유사 결합을 규명한다.
• 대칭성 및 게이지 불변성 원리를 적용하여 새로운 결합을 분류하고 기존의 변형 잠재력 효과와 구별한다.
• 미세한 격자 구조를 고려하지 않고도 연속체 장 이론을 사용해 이론적 예측을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변형 계수 텐서의 비대칭 부분은 와이울 반도체의 전자 흥 excitations에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 3차원 디랙 및 와이울 시스템에서 회전 변형이 유도하는 새로운 탄성 게이지 장은 무엇인가?
• RQ3 변형에 의한 콘 기울임은 와이울 반도체의 전자 밴드 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이러한 새로운 결합은 기존의 스칼라 항을 초월해 변형 잠재력에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 변형된 와이울 반도체에서 가짜-제이만 결합의 기원과 물리적 의의는 무엇인가?

주요 결과

• 변형 계수 텐서의 비대칭 부분은 그래핀과 같은 2차원 디랙 물질에서 관찰되지 않았던 새로운 탄성 게이지 장을 생성한다.
• 회전 변형은 와이울 반도체의 전자 스펙트럼에서 스핀 degeneracy를 해소하는 새로운 가짜-제이만 결합을 유도한다.
• 변형은 와이울 콘의 기울임을 유도하며, 이는 페르미 속도를 변화시키고 저에너지 이론에서 로렌츠 불변성을 파괴한다.
• 이 새로운 결합들은 변형 잠재력에 기여하여 전자 상태의 기계적 응답을 변화시킨다.
• 이러한 효과들은 와이울 페르미온의 본질적 편극성에 기인하며, 시간 역전 대칭을 가지는 시스템에서는 존재하지 않는다.
• 연속체 접근법은 회전 변형이 스칼라 변형과는 다를 바 있는 게이지 유사 상호작용을 통해 전자 자유도와 결합함을 드러낸다.