[論文レビュー] Chiral magnetic effect of Weyl fermions and its applications to cubic noncentrosymmetric metals

Pallab Goswami, Sumanta Tewari|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2013

Rare-earth and actinide compounds被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、タイトビinding格子模型を用いて、立方晶非対称金属におけるキラル磁気効果（CME）を示しており、エネルギー的に分離されたキラルノードを有するワイルフェルミオンが、印加磁場に沿って非散乱電流を生成することを示している。CME電導度は連続体極限を越えて有限であり、測定可能な電流密度（1 T、300 K 条件で約3.3 A/mm²）を示しており、これらの材料がトポロジカルCMEを観測するための実用的プラットフォームであることを確立するとともに、磁場センシングへの応用を可能にする。

ABSTRACT

When the right and the left handed Weyl points are separated in energy, they give rise to a non-dissipative charge current along the direction of a uniform applied magnetic field, even in the absence of an external electric field. This effect is known as the chiral magnetic effect and is a hallmark of the underlying chiral anomaly of the Weyl fermions. According to the linearized continuum theory of Weyl fermions, the induced current is proportional to the magnetic field strength and the energy separation with a universal coefficient $e^2/h^2$. By considering a generic tight binding model for the cubic noncentrosymmetric metals, we show that such a system naturally supports a set of Weyl points, which are separated in energies. We also show the existence of the chiral magnetic effect for generic band parameters, and recover the universal result of the continuum Weyl fermions for a restricted parameter regime. Therefore, cubic noncentrosymmetric metals can serve as suitable platforms for realizing Weyl fermions and the exotic chiral elctrodynamic phenomena, which have promising technological applications.

研究の動機と目的

• ワイル半金属の現実的な格子モデルにおいてキラル磁気効果（CME）の存在を確立し、格子効果によりCMEが消えるという主張に挑戦すること。
• スピン軌道結合のおかげでエネルギー的に分離されたキラルノードを有するワイルフェルミオンの天然の宿主として、立方晶非対称金属を特定すること。
• 線形化連続体近似を越えて有効な、任意のバンド構造に適用可能なキラル磁気電導度の一般式を導出すること。
• 数値的にCME電導度を評価し、室温でも安定で実験的に検出可能な状態であることを示すこと。

提案手法

• スピン軌道結合を組み込んだ、立方晶非対称金属の一般的なタイトビindingハミルトニアンを定式化し、エネルギー的に分離されたワイル点を実現する。
• Berry曲率とフェルミ面寄与を用いた半古典的公式を導出し、主な項としてフェルミ関数の微分を含む。
• 導出された電導度公式を用いて、バンドパラメータと温度の変動に応じたσ_chの数値的計算を実施し、T=0と有限温度の両領域をカバーする。
• 運動量空間における数値的統合を実行し、適切なパrameter領域において、普遍的な連続体極限と一致することを検証する。
• Li2Pt3Bのab initio研究からのパラメータ化を用いて、現実的なバンドパラメータをモデル化し、温度依存性を評価する。
• 連続体極限の予測σ_ch = e²Δ/h²と比較し、低エネルギー・長波長領域で一致することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラル磁気効果は、格子モデルにおいても、格子効果の懸念があるにもかかわらず持続するのか？
• RQ2 立方晶非対称金属は、スピン軌道結合のおかげでエネルギー的に分離されたキラルノードを有するワイルフェルミオンを実現できるか？
• RQ3 現実的な材料において、室温でも有限で測定可能なキラル磁気電導度は存在するか？
• RQ4 非連続体領域において、キラル磁気電導度はバンドパラメータと温度にどのように依存するか？
• RQ5 線形化連続体理論を越えて適用可能な、キラル磁気電導度の一般式を導出できるか？

主な発見

• キラル磁気効果は、ワイルフェルミオンの格子モデルにおいても有限であり、線形化連続体近似が破綻してもその存在が確認された。
• 室温でもキラル磁気電導度σ_chは顕著な値を示し、Li2Pt3Bの現実的なバンドパラメータにおいて約0.09t₁e²/h²の値を示した。
• 1ガウスの磁場と室温の条件下で、誘導電流密度は約3.3 A/mm²に達し、実験的に測定可能である。
• 導出されたキラル磁気電導度の公式は、適切なパrameter領域において、普遍的な連続体結果σ_ch = e²Δ/h²を正確に再現した。
• CMEはフェルミ関数そのものではなく、フェルミ関数の微分（すなわちフェルミ面）に起因しており、非散乱輸送におけるBerry曲率の役割が強調された。
• t₃/t_SO > 0.02の範囲でも、系が連続体極限から逸脱しているにもかかわらずσ_chは有限のままであり、格子系におけるCMEの頑健性を示した。