[论文解读] Probing the chiral anomaly with nonlocal transport in three dimensional topological semimetals

S. A. Parameswaran, Tarun Grover+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2013

Topological Materials and Phenomena被引用 21

一句话总结

该论文提出一种非局域输运协议，通过局部磁场产生长程谷极化不平衡，使其扩散并远离电流注入点产生可测量的电压降，从而探测三维拓扑半金属（如外尔和狄拉克半金属）中的手征异常。当磁场方向与电流垂直时，该效应消失，提供了手征异常的清晰特征信号，且在高迁移率材料（如Na3Bi）中具有鲁棒性，其弛豫长度估计可达约10微米。

ABSTRACT

Weyl semimetals are three-dimensional crystalline systems where pairs of bands touch at points in momentum space, termed Weyl nodes, that are characterized by a definite topological charge: the chirality. Consequently, they exhibit the Adler-Bell-Jackiw anomaly, which in this condensed matter realization implies that application of parallel electric ($\mathbf{E}$) and magnetic ($\mathbf{B}$) fields pumps electrons between nodes of opposite chirality at a rate proportional to $\mathbf{E}\cdot\mathbf{B}$. We argue that this pumping is measurable via nonlocal transport experiments, in the limit of weak internode scattering. Specifically, we show that as a consequence of the anomaly, applying a local magnetic field parallel to an injected current induces a valley imbalance that diffuses over long distances. A probe magnetic field can then convert this imbalance into a measurable voltage drop far from source and drain. Such nonlocal transport vanishes when the injected current and magnetic field are orthogonal, and therefore serves as a test of the chiral anomaly. We further demonstrate that a similar effect should also characterize Dirac semimetals --- recently reported to have been observed in experiments --- where a pair of Weyl nodes coexisting at a single point in the Brillouin zone are protected by a crystal symmetry. Since the nodes are analogous to valley degrees of freedom in semiconductors, this suggests that valley currents in three dimensional topological semimetals can be controlled using electric fields, which has potential practical `valleytronic' applications.

研究动机与目标

• 为三维拓扑半金属（如外尔和狄拉克半金属）中的手征异常提供一种直接的实验探测方法，该现象原本难以直接观测。
• 证明由手征异常产生的谷极化不平衡可因弱的谷间散射而长距离扩散，从而实现非局域电压探测。
• 表明非局域响应强烈依赖于磁场方向与电流方向的对齐情况，作为与传统欧姆效应相区别的特征信号。
• 确立该效应可在高迁移率材料（如Na3Bi）中观测到，其弛豫时间足够长，可产生可测量的非局域信号。
• 提出实用的几何结构（如H形结构），在使用金属接触的同时通过最小化引线引起的弛豫来保持强非局域信号。

提出的方法

• 该方法依赖于在外尔或狄拉克半金属的载流区域施加平行于电流的局部磁场，诱导手征异常，从而产生谷极化不平衡。
• 由于谷间散射较弱，谷极化不平衡在材料中长距离扩散，Na3Bi中的扩散长度估计约为10微米。
• 远处的探测磁场通过手征异常机制将累积的谷极化不平衡转化为可测量的非局域电压降。
• 该协议采用电流注入与电压探测空间分离的几何结构，确保信号为非局域的，且与欧姆贡献相区别。
• 提出一种替代的H形结构，其中大块的源极和探测极通过窄桥连接，减少接触引起的弛豫影响，提升信号保真度。
• 采用屏蔽杂质散射的模型估算谷间弛豫时间，得到τi ~ 10³τc，Na3Bi中扩散长度约为10 μm，处于实验可实现范围内。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过非局域输运测量探测三维拓扑半金属中的手征异常？
• RQ2 非局域电压响应如何依赖于磁场方向与电流方向的相对取向？
• RQ3 在高迁移率外尔和狄拉克半金属（如Na3Bi）中，谷极化不平衡的特征扩散长度是多少？
• RQ4 在非局域输运装置中能否使用金属接触而不破坏信号？若可，需何种几何结构？
• RQ5 在实际材料中，手征异常效应在多大程度上可与传统欧姆输运相区分？

主要发现

• 由于弱谷间散射，手征异常在高迁移率材料（如Na3Bi）中诱导出可扩散至约10微米的长程谷极化不平衡。
• 当磁场方向与电流垂直时，非局域电压响应消失，提供了方向性特征，可与传统输运明确区分。
• Na3Bi中估算的谷间弛豫时间为τi ~ 10³τc，对应约10微米的扩散长度，处于实验可实现范围。
• H形结构设计通过隔离产生与探测区域，使金属接触成为可能，同时减少接触引起的弛豫影响。
• 非局域信号具有鲁棒性，可独立于材料参数进行调节，其幅度无根本上限。
• 该协议提供了手征异常的实用且可区分的实验特征，使其成为在真实材料中识别外尔和狄拉克半金属的有力工具。