[논문 리뷰] Thermal chiral anomaly in the magnetic-field induced ideal Weyl phase of Bi89Sb11

Dung Vu, Wenjuan Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 05.

Topological Materials and Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 제이먼 필드 하에서 Bi89Sb11에서 열적 편향 비대칭을 입증하며, 화학 포텐셜이 와이울 점에서 고정되고 비정질 피에르 표면이 없는 조건에서 수행된다. 열 기울기와 평행한 자기장이 작용할 때, 60 K 이상에서 위데만-프란츠 법칙을 따르는 큰 열전도도 증가를 관측하였으며, 이는 외부 전류 경로의 영향 없이 열적 편향 비대칭의 증거로 확인된다.

ABSTRACT

The chiral anomaly is the predicted break down of chiral symmetry in a Weyl semimetal with monopoles of opposite chirality when an electric field parallel to a magnetic field is applied. It occurs because of charge pumping from a positive chirality to a negative chirality monopole. Experimental observation of this fundamental effect has been plagued by concerns about the pathways of the current. Here, we unambiguously demonstrate the thermal analog of the chiral anomaly in topological insulator bismuth-antimony alloys driven into an ideal Weyl semimetal state by a Zeeman field, with the chemical potential pinned at the Weyl points, and in which the Fermi surface has no trivial pockets. The experimental signature is a large enhancement of the thermal conductivity in an applied magnetic field parallel to the thermal gradient that follows the Wiedemann-Franz law above 60 K. Absence of current flow avoids extrinsic effects that plague electrical measurements.

연구 동기 및 목표

• 위치 위상적 와이울 반도체 상에서 열적 편향 비대칭을 명확히 관측하기 위해.
• 이전 전기적 측정에서 골칫거리가 되었던 전기적 전류 경로의 외부 효과를 제거하기 위해.
• 화학 포텐셜이 와이울 점에서 고정될 때 편향 비대칭이 열 운반에서 어떻게 나타나는지 보여주기 위해.
• 열 반응이 위데만-프란츠 법칙을 따름으로써 이 효과의 위상적 성질을 확인하기 위해.
• 비정질 피에르 표면이 없는 Bi89Sb11를 사용하여 편향 비대칭을 연구할 수 있는 청소년 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 제이먼 필드를 통해 Bi89Sb11를 이상적인 와이울 반도체 상태로 유도하여 편향 모노폴을 유도하기 위해.
• 화학 포텐셜을 와이울 점에서 고정하여 위상적 보호를 확보하고 비정질 기여를 제거하기 위해.
• 열 기울기와 평행한 자기장을 적용하여 열 운반에서 편향 비대칭을 유도하기 위해.
• 이상적인 자기장 및 온도 조건에서 열전도도를 측정하여 비정상성을 탐지하기 위해.
• 위데만-프란츠 법칙을 일관성 검증 도구로 사용하여 관측된 증가가 편향 비대칭의 본질적 특성임을 확인하기 위해.
• 위데만-프란츠 법칙이 적용되는 60 K 이상의 결과를 비교하여 열 반응의 위상적 기원을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정질 피에르 표면의 영향 없이 위상적 와이울 반도체에서 열적 편향 비대칭을 관측할 수 있는가?
• RQ2 열 기울기와 평행한 자기장을 적용할 경우 열전도도에 측정 가능한 증가가 발생하는가?
• RQ3 관측된 증가가 위데만-프란츠 법칙을 따르는가? 이는 위상적으로 보호된 운반 메커니즘을 시사하는가?
• RQ4 전기적 전류 흐름을 제거함으로써 열 운반에서 편향 비대칭을 고립시킬 수 있는가?
• RQ5 Bi89Sb11의 이상적인 와이울 상에서 열전도도 증가의 온도 의존성은 어떻게 되는가?

주요 결과

• 열 기울기와 평행한 자기장을 Bi89Sb11에 적용할 경우 큰 열전도도 증가가 관측된다.
• 60 K 이상에서 증가가 위데만-프란츠 법칙을 따르며, 이는 효과의 위상적 기원을 확인한다.
• 화학 포텐셜이 와이울 점에서 고정되어 있어 비정질 피에르 표면의 기여가 제거된다.
• 전기적 전류 흐름이 없어 이전 전기적 측정에서 문제를 일으켰던 외부 효과가 제거된다.
• 관측된 열 반응은 청소년 위상적 시스템에서 편향 비대칭의 열적 유사체로 확인된다.
• 결과는 제이먼 필드에 의해 유도된 이상적인 와이울 반도체에서 열적 편향 비대칭에 대한 명확한 증거를 제공한다.