[논문 리뷰] Probing the chiral anomaly with nonlocal transport in Weyl semimetals

S. A. Parameswaran, Tarun Grover외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 05.

Topological Materials and Phenomena인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 비국소 전도를 통해 와일 밴드에서의 편극성 이상을 탐지하는 방법을 제안한다: 전류와 평행한 국소 자장을 가할 경우, 이완성에 기인한 전자 펌프 작용으로 인해 양성 편극성 와일 노드 사이에서 전자가 이동하면서 장거리에 걸친 밸리 불균형이 발생하며, 이는 먼 거리에 있는 탐지기 자장에 의해 측정 가능한 전압으로 변환된다. 전류와 자장이 수직일 경우 이 효과는 사라지므로, 이는 이상의 명확한 서명이 되며 3차원 토폴로지 반도체에서 밸리트로닉스 제어를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 와일 반도체에서의 편극성 이상이 비국소 전기적 전도 측정을 통해 탐지될 수 있음을 보여주기.
• 전류와 평행한 국소 자장이 약한 내노드 산란가운데에서 이상에 기인한 전자 펌프 작용으로 인해 장거리 밸리 불균형을 유도함을 확립하기.
• 이 불균형이 전류원에서 먼 곳에 있는 탐지기 자장에 의해 측정 가능한 전압 신호로 감지될 수 있음을 보여주기.
• 와일 노드가 결정 대칭성에 의해 보호되고 밸리 자유도로 행동하는 3차원 토폴로지 반도체에서의 디르락 반도체로의 제안 확장하기.
• 3차원 토폴로지 반도체에서 전기장 제어 가능한 밸리 전류를 위한 잠재적 밸리트로닉스 응용 탐색하기.

제안 방법

• E·B 비례 비율로 반대편 편극성 와일 노드 사이의 전자 펌프 작용으로 와일 반도체에서의 편극성 이상을 모델링하기.
• 약한 내노드 산란가운데서 전류와 평행한 국소 자장을 적용하여 이상에 기인한 전자 펌프 작용으로 인해 밸리 불균형을 유도하기.
• 유도된 밸리 불균형을 물질 내에서 장거리로 확산되는 양으로 간주하기.
• 멀리 떨어진 곳에 있는 탐지기 자장을 적용하여 확산되는 밸리 불균형을 측정 가능한 전압 강하로 변환하기.
• 전류와 자장의 상대적 방향에 따른 신호 의존성 분석하여, 수직일 경우 신호가 사라짐을 보여주기.
• 와일 노드가 동일한 운동량 공간의 한 점에서 공존하고 대칭성에 의해 보호되는 디르락 반도체로 분석 확장하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 와일 반도체에서의 편극성 이상은 비국소 전도 측정을 통해 탐지될 수 있는가?
• RQ2 전류와 평행한 국소 자장을 적용할 경우 이상에 기인한 펌프 작용으로 인해 장거리 밸리 불균형이 유도되는가?
• RQ3 멀리 떨어진 탐지기 자장이 이 불균형을 측정 가능한 전압 신호로 변환할 수 있는가?
• RQ4 왜 전류와 자장이 수직일 경우 비국소 신호가 사라지며, 이는 이상의 서명으로서 어떻게 기능하는가?
• RQ5 와일 노드가 결정 대칭성에 의해 보호되는 디르락 반도체에서도 유사한 비국소 효과를 관찰할 수 있는가?

주요 결과

• 와일 반도체에서의 편극성 이상은 국소 자장을 전류와 평행하게 가할 경우 장거리로 확산되는 밸리 불균형을 유도한다.
• 비국소 전압 신호는 전류와 자장이 평행할 때만 발생하며, 이는 이상과 다른 효과를 명확히 구분하는 서명을 제공한다.
• 전류와 자장이 수직일 경우 이 효과가 사라지며, 이는 E·B 펌프 작용 기반의 편극성 이상 기원을 확인한다.
• 유사한 비국소 전도 메커니즘은 와일 노드가 결정 대칭성에 의해 보호되고 밸리 자유도로 행동하는 디르락 반도체에서도 작동할 것이다.
• 결과적으로 3차원 토폴로지 반도체에서 전기장으로 밸리 전류를 제어할 수 있으며, 이는 잠재적 밸리트로닉스 응용을 가능하게 한다.