[論文レビュー] Observation of the Adler-Bell-Jackiw chiral anomaly in a Weyl semimetal

Chenglong Zhang, Su‐Yang Xu+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用数 82

ひとこと要約

本論文は、磁場と電場を平行に印加した磁気輸送測定を通じて、Weyl半金属TaAsにおけるアドラー＝ベル＝ジャッキー・チラル異常（Adler-Bell-Jackiw chiral anomaly）の初めての実験的観測を報告している。研究では、平行な電場と磁場下で、材料が二次関数的増加を示す磁気伝導度を示し、低温で温度に依存せず、強い角度依存性を示すことが明らかになった。これは、チラル電荷の保存が破れることに起因するものであり、固体系におけるWeylフェルミオンの初めての輸送的特徴を裏付けている。

ABSTRACT

We report the experimental discovery of Adler-Bell-Jackiw chiral anomaly in a Weyl semimetal crystal.

研究の動機と目的

• 量子場の理論で予測されたが、これまで物性系では観測されていなかったアドラー＝ベル＝ジャッキーのチラル異常を、Weyl半金属で実験的に観測すること。
• 外部磁場および電場を印加した条件下でのチラル電荷の保存が破れる現象を、明確な輸送的特徴として特定すること。
• 高移動度のWeyl半金属TaAsにおいて、チラル異常と測定可能な電気的輸送との直接的な関連を確立すること。
• 理論的予測であるフェルミエネルギーおよび場の方向依存のスケーリングを、体系的な測定により検証すること。
• 実材料において、安定したチラル異常効果の存在を示すことで、将来の「バレークトロニクス」デバイスへの応用基盤を築くこと。

提案手法

• 電場と磁場を平行および角度を変化させて印加した高移動度TaAs単結晶を用い、低温での磁気伝導度測定を実施した。
• 式(2)に示される多成分フィッティング関数を用い、チラル異常と従来の輸送の寄与を分離した。Weylノード応答およびフェルミポケット寄与を含む項を含めた。
• 磁気伝導度の角度依存性を測定し、E∥Bのとき最大値を示し、垂直配置では抑制されることを検証した。
• Weylノードの位置とフェルミエネルギーをマップするために、角度分解光電子分光測定（ARPES）を実施し、チラル異常の特定のノードに起因することを裏付けた。
• 理論的モデリングにより、チラル異常寄与が ∝E_F^−2 に比例し、低温で弱い温度依存性を示すことが確認され、実験データと整合した。
• フェルミエネルギーがそれぞれ −1.5 meV および +3.0 meV の2つのサンプル（S1およびS2）を比較し、チラル異常の E_F^−2 スケーリングの予測を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平行なEおよびB場下で、Weyl半金属においてチラル異常が磁気伝導度の測定可能な増加として現れるか？
• RQ2 理論予測通り、低温でチラル異常寄与が温度に依存しないか？
• RQ3 電場と磁場がずれた場合、対称性の観点から予想されるようにチラル異常は消えるか？
• RQ4 理論モデルが要求するように、チラル異常の大きさがフェルミエネルギーの逆数の二乗に比例するか？
• RQ5 多項式フィッティングモデルを用いることで、チラル異常を従来の輸送寄与から分離できるか？

主な発見

• チラル異常寄与の磁気伝導度は20 K未満でほぼ温度依存性がなく、低温での弱い温度依存性を確認した。
• E∥Bのときチラル異常寄与が急激にピークに達し、わずか5°のずれでもほぼゼロにまで低下する。これは強い角度依存性を示している。
• フェルミエネルギーがそれぞれ −1.5 meV および +3.0 meV の2つのサンプルの測定から得られたチラル異常の大きさの比は5.0であり、予測された E_F^−2 スケーリング（予想比4.0）と整合した。
• チラル異常寄与は磁気伝導度において二次関数的H²依存性でよく記述され、フィッティングから係数C_Wが抽出された。これは理論モデルを支持するものである。
• データには2つの明確なピークが観測された：ゼロ磁場でのピーク（従来の輸送）と有限磁場でのピーク（チラル異常）。これによりチラル異常の存在が確認された。
• 理論的およびARPESの結果から、チラル異常は主にWeylノードW2に起因しており、W1の寄与は約50倍小さく抑えられていることが確認された。