[論文レビュー] Chiral anomaly induced oscillations in the Josephson effect in Weyl semimetals

Udit Khanna, Dibya Kanti Mukherjee+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、時間反転対称性が破れたワイル半金属が超伝導体と結合する場合、 chirality の異常がジョセフソン電流における周期的揺らぎを誘発することを提案している。ヘリカルな準粒子とスピン保存に支配されるノード間輸送のおかげで、電流は $k_0L$ の関数として振動し、ノード間隔に強く結びついた頑健な周期を持つ。これは、chiral ワイルノードを直接実験的に特定する手がかりを提供する。

ABSTRACT

The separation of the Weyl nodes in a broken time-reversal symmetric Weyl semimetal leads to helical quasi-particle excitations at the Weyl nodes, which, when coupled with overall spin conservation allows only inter-nodal transport at the junction of the Weyl semimetal with a superconductor. This leads to an unusual periodic oscillation in the Josephson current as a function of $k_0L$, where $L$ is the length of the Weyl semimetal and $2k_0$ is the inter-nodal distance. This oscillation is robust and should be experimentally measurable, providing a direct path to confirming the existence of chiral nodes in the Weyl semimetal.

研究の動機と目的

• ワイル半金属における chiral ワイルノードの頑健で実験的に観測可能なシグネチャーを同定すること。
• chiral 異常および時間反転対称性の破れが、ワイル半金属-超伝導体ジャンクションにおけるジョセフソン輸送に与える影響を調査すること。
• スピン保存によって保護されるノード間準粒子輸送が、周期的電流揺らぎを引き起こすことを示すこと。

提案手法

• 時間反転対称性を破るために空間的に分離されたワイルノードを持つワイル半金属をモデル化する。
• ワイル半金属ジャンクションに超伝導プロキシミティ効果を適用し、アンドレーエフ境界状態を誘発する。
• スピン保存のノード間トンネルを用いて、ジャンクションを横切る準粒子輸送を記述する。
• ノード間隔 $2k_0$ とジャンクション長 $L$ の関数としてジョセフソン電流を導出し、振動的挙動を明らかにする。
• $k_0L$ の関数としての電流の周期性を分析し、不純物や摂動に対して頑健であることを示す。
• 揺らぎが chiral 異常に起因し、トポロジカルに保護されていることを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転対称性が破れたワイル半金属における chiral 異常は、ジョセフソン電流の揺らぎとしてどのように現れるか？
• RQ2 スピン保存は、ワイル半金属-超伝導体ジャンクションにおけるノード間輸送をどのように仲介するか？
• RQ3 なぜジョセフソン電流は $k_0L$ に対して周期的であり、その周期は何かによって決定されるか？
• RQ4 この揺らぎは、chiral ワイルノードの直接的な実験的シグネチャーとして検出可能か？
• RQ5 現実の材料における不純物や摂動に対して、この揺らぎはどれほど頑健か？

主な発見

• ジョセフソン電流は $k_0L$ の関数として周期的揺らぎを示し、その周期はノード間隔 $2k_0$ に依存する。
• 揺らぎは、スピン保存と時間反転対称性の破れによって保護される chiral 異常に起因するノード間輸送に起因する。
• 揺らぎは頑健であり、現在の実験的セットアップでも測定可能であり、chiral ワイルノードの直接的プローブを提供する。
• 特定の $k_0L$ の値で電流が消えることから、chiral 異常効果に起因するトポロジカルなスーパーカレント抑制が示唆される。
• この振動的挙動は、従来のジョセフソン効果とは明確に異なり、標準的な BCS パaired や自明なバンド構造では説明できない。