[논문 리뷰] High-field magnetoconductivity of topological semimetals with short-range potential

Hai‐Zhou Lu, Song-Bo Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 15.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 49인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 짧은 거리의 불순물 산산이 있는 상황에서 고자기장에서의 위상적 반도체의 전도도를 재평가하며, 전도도가 Landau 준위의 degeneracy보다 주로 피에르 속도에 의해 결정된다는 것을 밝혀내었다. 강한 자기장에서 음의 전도도가 나타나는 세 가지 상황을 규명하여, 오랫동안 전도도가 양의 성질을 띤다는 것이 캐릭터리스틱 애너멀리의 결정적 징후로 여겨져 온 견해에 도전한다.

ABSTRACT

Weyl semimetals are three-dimensional topological states of matter, in a sense that they host paired monopoles and antimonopoles of Berry curvature in momentum space, leading to the chiral anomaly. The chiral anomaly has long been believed to give a positive magnetoconductivity or negative magnetoresistivity in strong and parallel fields. However, several recent experiments on both Weyl and Dirac topological semimetals show a negative magnetoconductivity in high fields. Here, we study the magnetoconductivity of Weyl and Dirac semimetals in the presence of short-range scattering potentials. In a strong magnetic field applied along the direction that connects two Weyl nodes, we find that the conductivity along the field direction is determined by the Fermi velocity, instead of by the Landau degeneracy. We identify three scenarios in which the high-field magnetoconductivity is negative. Our findings show that the high-field positive magnetoconductivity may not be a compelling signature of the chiral anomaly and will be helpful for interpreting the inconsistency in the recent experiments and earlier theories.

연구 동기 및 목표

• 이론적 예측에서의 양의 전도도와 고자기장에서의 실험적 관측에서의 음의 전도도 사이의 괴리를 해결하기 위해.
• Weyl 및 Dirac 반도체에서 전도도를 수정하는 짧은 거리의 불순물 산산이 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 고자기장에서의 양의 전도도가 여전히 캐릭터리스틱 애너멀리의 강력한 징후로 유지되는지 여부를 판단하기 위해.
• Landau 준위 운반에서 자기장 의존성의 산란율과 피에르 속도를 고려하는 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• Weyl 반도체의 이중 노드 모델을 수립하며, 운동량 공간에서 Weyl 노드 간의 유한한 분리 거리를 고려한다.
• 델타 함수 잠재력으로 짧은 거리의 불순물 산산을 포함하여 Landau 준위 간의 행렬 요소를 계산한다.
• 전도도 공식을 유도하며, 이는 Landau 준위의 degeneracy가 아니라 피에르 속도와 자기장 의존성 산란율에 직접적으로 의존한다.
• 가상 전이(특히 ν=0과 ν=1± 사이)를 포함한 산란 시간의 자가일관된 처리를 수행한다.
• 지연 및 진행 Green 함수를 사용한 수정된 Kubo 공식을 적용하여 종방향 전도도 σxx를 계산한다.
• 비균일한 Landau 준위 넓이를 고려하기 위해 보정 인자 Λ를 도입하여 기존 근사보다 정확도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 실험에서 이론적 예측과는 달리 고자기장에서 음의 전도도가 관측되는 이유는 무엇인가?
• RQ2 짧은 거리의 불순물 산산이 위상적 반도체에서 전도도의 자기장 의존성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 Weyl 및 Dirac 반도체에서 고자기장 전도도는 Landau 준위의 degeneracy보다 피에르 속도가 지배하는가?
• RQ4 캐릭터리스틱 애너멀리가 존재하는 상황에서도 음의 전도도가 나타나는 조건은 무엇인가?
• RQ5 더 정확한 산란 메커니즘 처리를 통해 이론과 실험 간의 불일치를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 짧은 거리 산산이 존재하는 조건에서 고자기장 전도도는 주로 피에르 속도에 의해 결정되며, Landau 준위의 degeneracy에 의해 영향을 받지 않는다.
• 조직된 자기장에서 전도도가 음성이 되는 세 가지 별개의 상황이 규명되었으며, 이는 캐릭터리스틱 애너멀리가 존재하는 경우에도 해당된다.
• ν=0에서 ν=1±로의 전이에 대한 산란율 τ⁻¹은 자기장 의존성 피에르 속도와 파동함수 겹침에 의해 결정된다.
• 전도도 공식에 따르면 σxx는 x방향 속도 행렬 요소의 제곱에 비례하고, ν=1±에서 ν=0로의 산란율의 역수에 비례한다.
• 이론적 모델은 캐릭터리스틱 애너멀리 붕괴 없이도 실험적으로 관측된 고자기장에서의 음의 전도도를 설명할 수 있다.
• 짧은 거리 산산 조건에서는 Landau 준위의 degeneracy가 전도도를 지배하는 것으로 보는 기존의 가정이 성립하지 않으며, 피에르 속도와 산란 시간의 재정의가 핵심 요소이다.