[논문 리뷰] Tunable optical activity due to the chiral anomaly in Weyl semimetals

Pavan Hosur, Xiao-Liang Qi|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 13.

Topological Materials and Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 Weyl 반도체에서 편극화된 빛의 회전 성질을 측정하여 E⋅B가 비영인 전자기장에 의해 유도된 비영인 회전 대칭 계수 또는 허르-유사 도전도를 통해 편극성 이상을 탐지하는 방법을 제안한다. 이 방법은 Dirac 반도체에서는 이러한 반응이 없음을 감안할 때 Weyl 반도체와 Dirac 반도체를 구별할 수 있으며, 편극성 이상을 통한 위상적 편극 전하 펌프링을 직접적으로 광학적으로 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

Weyl semimetals are a three dimensional gapless topological phase in which bands intersect at arbitrary points -- the Weyl nodes -- in the Brillouin zone. These points carry a topological quantum number known as the \emph{chirality} and always appear in pairs of opposite chiralities. The notion of chirality leads to anomalous non-conservation of chiral charge, known as the \emph{chiral anomaly}, according to which charge can be pumped between Weyl nodes of opposite chiralities by an electromagnetic field with non-zero $\boldsymbol{E}\cdot\boldsymbol{B}$. Here, we propose probing the chiral anomaly by measuring the optical activity of Weyl semimetals via circular dichroism. In particular, we observe that applying such an electromagnetic field on this state gives it a non-zero gyrotropic coefficient or a Hall-like conductivity, which may be detectable by routine circular dichroism experiments. This method also serves as a diagnostic tool to discriminate between Weyl and Dirac semimetals; the latter will give a null result. More generally, any experiment that probes a bulk correlation function that has the same symmetries as the gyrotropic coefficient can detect the chiral anomaly as well as differentiate between Dirac and Weyl semimetals.

연구 동기 및 목표

• 편극 전하의 보존이 깨지는 현상과 관련된 Weyl 반도체에서의 편극성 이상을 탐지하기 위한 광학적 방법을 개발하는 것.
• 위상적 편극성에 민감한 부피 광학 반응을 통해 Weyl 반도체와 Dirac 반도체를 구별하는 것.
• E⋅B 필드 조건 하에서 편극성 이상이 측정 가능한 비틀림 계수 또는 허르-유사 도전도로 나타남을 보여주는 것.
• 비틀림 계수와 동일한 대칭성을 가진 부피 상관 함수를 기반으로 한 진단 도구를 제공하는 것.

제안 방법

• 비영인 E⋅B를 갖는 전자기장 하에서 Weyl 반도체의 광학 반응에 대한 이론적 분석.
• Weyl 노드의 유효 해밀토니안에서 유도된 편극성 이상 존재 시 비틀림 계수 계산.
• 원형 분광법을 실험적 탐측 수 Mittel로 사용하여 Weyl 반도체에서 비영인 비틀림 반응을 측정하는 것.
• Weyl 반도체와 Dirac 반도체의 광학 반응을 비교하여, 편극성 이상이 없기 때문에 후자의 경우 결과가 영이 되는 것을 보여주는 것.
• 비틀림 계수와 동일한 대칭성을 가진 부피 상관 함수가 편극성 이상의 민감한 지표가 되는 것을 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Weyl 반도체에서 원형 분광법을 통한 광학 측정을 통해 편극성 이상을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 비영인 E⋅B 필드 존재 시 Weyl 반도체에서 측정 가능한 비틀림 계수가 유도되는가?
• RQ3 동일한 전자기 조건 하에서 Weyl 반도체의 광학 반응은 Dirac 반도체와 어떻게 다른가?
• RQ4 비틀림 계수와 동일한 대칭성을 가진 부피 상관 함수는 편극성 이상의 지표로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 비영인 E⋅B를 갖는 전자기장이 작용할 경우 Weyl 반도체에서는 측정 가능한 비틀림 계수가 유도되며, 원형 분광법으로 이를 탐지할 수 있다.
• 편극성 이상은 광학 반응에서 허르-유사 도전도로 나타나며, 이는 Dirac 반도체에서는 존재하지 않는다.
• 이 방법은 동일한 조건에서 Dirac 반도체가 영 반응을 보이므로 Weyl 반도체와 Dirac 반도체를 명확히 구별할 수 있는 실험적 기반을 제공한다.
• 비틀림 계수와 동일한 대칭성을 가진 부피 상관 함수를 측정하는 모든 실험은 편극성 이상을 탐지할 수 있다.