[논문 리뷰] The chiral anomaly in Weyl semimetals is not robust

Pilkwang Kim, Ji Hoon Ryoo외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 04.

Topological Materials and Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 밀도-functional 이론 계산을 통해 강한 자기장에서 반대 편극성 Weyl 점의 제로번째 Landau 준위 간의 자기장 의존성 혼합으로 인해 캐릭터리스틱 애너매리가 붕괴됨을 보여줌으로써 Weyl 반도체에서 캐릭터리스틱 애너매리에 대한 널리 퍼진 견해에 도전한다. 이로 인해 상당한 에너지 간극이 열리며, 이는 표준적인 캐릭터리스틱 전하 비보존 그림을 무효화하고, 운반, 열전기 및 집합 진동 현상에 대한 재수정된 이론적 프레임워크가 필요하게 한다.

ABSTRACT

The low-energy quasiparticles of Weyl semimetals are a condensed-matter realization of the Weyl fermions introduced in relativistic field theory. Chiral anomaly, the nonconservation of the chiral charge under parallel electric and magnetic fields, is arguably the most important phenomenon of Weyl semimetals and has been explained as an imbalance between the occupancies of the gapless, zeroth Landau levels with opposite chiralities. This widely accepted picture has served as the basis for subsequent studies. Here we report the breakdown of the chiral anomaly in Weyl semimetals in a strong magnetic field based on ab initio calculations. A sizable energy gap that depends sensitively on the direction of the magnetic field may open up due to the mixing of the zeroth Landau levels associated with the opposite-chirality Weyl points that are away from each other in the Brillouin zone. Our study provides a theoretical framework for understanding a wide range of phenomena closely related to the chiral anomaly in topological semimetals, such as magnetotransport, thermoelectric responses, and plasmons, to name a few.

연구 동기 및 목표

• 강한 자기장 하에서 Weyl 반도체에서 캐릭터리스틱 애너매리의 강건성을 재검토하기 위해.
• 상반된 편극성 Weyl 점 간의 상호작용이 저에너지 Landau 준위 스펙트럼을 어떻게 수정하는지 조사하기 위해.
• 제로번째 Landau 준위의 점유 불균형을 통한 전통적인 캐릭터리스틱 전하 비보존 이해를 도전하기 위해.
• 캐릭터리스틱 애너매리 프레임워크를 넘어서 Weyl 반도체에서의 상위수학적 반응을 위한 재수정된 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 강한 자기장 하에서 Weyl 반도체의 전체 밴드 구조를 모델링하기 위해 밀도-functional 전자 구조 계산을 수행하기 위해.
• 상반된 편극성 Weyl 점의 제로번째 Landau 준위에 초점을 맞춘 Landau 준위 스펙트럼 분석하기 위해.
• 자기장 방향에 따른 제로번째 Landau 준위 간의 에너지 분리도를 계산하기 위해.
• 모멘텀 공간에서의 유한한 분리로 인한 상반된 편극성 Landau 준위 간 혼합 정도 평가하기 위해.
• 대칭성과 밴드 위상수학을 사용하여 외부 힘에 대한 캐릭터리스틱 애너매리의 안정성 평가하기 위해.
• 자기장 하에서 Weyl 점 간 상호작용을 포함하는 효과적 해밀토니안 유도하여 간극 형성 모델링하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 자기장 하에서 Weyl 반도체에서 캐릭터리스틱 애너매리는 여전히 유효한가?
• RQ2 Weyl 점 간의 모멘텀 공간 분리가 Landau 준위 혼합을 어떻게 수정하는가?
• RQ3 자기장의 방향이 Landau 준위 스펙트럼에서 에너지 간극 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 Weyl 점 간 상호작용은 얼마나 상반된 편극성의 제로번째 Landau 준위 점유 불균형에 기반한 표준 캐릭터리스틱 애너매리 그림을 무효화하는가?
• RQ5 관측된 간극 형성 현상을 상반된 편극성 Landau 준위 혼합을 포함하는 최소 효과 모델로 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 강한 자기장에서 반대 편극성 Weyl 점의 제로번째 Landau 준위 간의 상당한 혼합으로 인해 Weyl 반도체에서 캐릭터리스틱 애너매리가 붕괴된다.
• 상당한 에너지 간극이 Landau 준위 스펙트럼에 열리며, 이는 자기장 방향에 매우 민감하게 의존한다.
• 간극은 Weyl 점 간의 유한한 모멘텀 공간 분리에서 기인하며, 자기장 하에서 Weyl 점 간 상호작용에 의해 유도된다.
• 강한 자기장 하에서는 상반된 편극성 제로번째 Landau 준위의 점유 불균형에 기반한 캐릭터리스틱 전하 비보존의 표준 그림이 더 이상 유효하지 않다.
• 이러한 발견은 자기장 운반, 열전기 효과 및 플라즈몬 모드에 대한 이론 모델을 재평가할 필요가 있음을 시사한다.
• 본 연구는 Landau 준위 스펙트럼에서 자기장 방향 의존성 간극 형성 현상을 고려하는 새로운 이론적 프레임워크를 수립한다.