[論文レビュー] Review of experiments on the chiral anomaly in Dirac-Weyl semimetals

N. P. Ong, Sihang Liang|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ディラックおよびワイル系半金属におけるヘリカル異常の実験的証拠をレビューし、縦磁場抵抗（LMR）を主要な特徴として焦点を当てる。提案されたテストを用いて、電流ジェッティングのような半古典的アーティファクトと内在的量子効果を区別し、Na3BiとGdPtBiにおける大きな負のLMRが内在的であることを確認した。一方、TaAsおよびNbAsでは、その負のLMR（0.1–2%）はアーティファクトである可能性が高く、分野における重要な論争を解決した。

ABSTRACT

We provide a review of recent experimental results on the chiral anomaly in Dirac/Weyl semimetals. After a brief introduction, we trace the steps leading to the prediction of materials that feature protected 3D bulk Dirac nodes. The chiral anomaly is presented in terms of charge pumping between the chiral Landau levels of Weyl fermions in parallel electric and magnetic fields. The related chiral magnetic effect and chiral zero sound are described. Current jetting effects, which present major complications in experiments on the longitudinal magnetoresistance, are carefully analyzed. We describe a recent test that is capable of distinguishing these semiclassical artifacts from intrinsic quantum effects. Turning to experiments, we review critically the longitudinal magnetoresistance experiments in the Dirac/Weyl semimetals Na3Bi, GdPtBi, ZrTe5 and TaAs. Alternate approaches to the chiral anomaly, including experiments on non-local transport, thermopower, thermal conductivity and optical pump-probe response are reviewed. In the Supplement, we provide a brief discussion of the chiral anomaly in the broader context of high energy physics and relativistic quantum field theory, as well the anomaly's starring role at the nexus of quantum physics and differential geometry.

研究の動機と目的

• 3次元ディラックおよびワイル系半金属におけるヘリカル異常の実験的兆候を、特に縦磁場抵抗（LMR）を対象として、批判的に評価すること。
• 高移動度ワイル系半金属（例：TaAsおよびNbAs）において観測された負のLMRが、内在的効果か、電流ジェッティングに起因するアーティファクトかという論争を解消すること。
• 内在的量子効果と半古典的電流不均一性を区別するための新しい実験的テストを提示し、その妥当性を検証すること。
• 非局所輸送、サーモプレッシャー、熱伝導度、および光学応答を含む、ヘリカル異常の代替実験的プローブをレビューすること。
• ヘリカル異常を量子場理論および微分幾何学の文脈に位置づけ、そのトポロジカル起源と高エネルギー物理学における役割を強調すること。

提案手法

• Na3Bi、GdPtBi、TaAs、ZrTe5からの縦磁場抵抗（LMR）データを分析し、ヘリカル異常を示す兆候を同定する。
• 最近提案された、LMRの磁場角度依存性に基づくテストを適用し、内在的量子効果と電流ジェッティングアーティファクトを区別する。
• 量子場理論（QFT）の理論的枠組みを用いて実験結果を解釈する。特に、アドラー＝ベル＝ジャッキーウィの（ABJ）異常およびフジカワの経路積分法を含む。
• 平行な電場と磁場の下でのランダウ準位のヘリカルポンプ効果を、ヘリカル異常の量子的メカニズムとして解説する。
• 非局所輸送、サーモプレッシャー、熱伝導度、および超高速光学ポンプ・プローブ測定を含む、代替の実験的手法を検討する。
• アティヤ＝シンガーのインデックス定理とQCDにおけるインスタントン効果を通じて、ヘリカル異常とトポロジカル不変量との関係を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ディラックおよびワイル系半金属において、ヘリカル異常を示す実験的兆候は何か？
• RQ2 高移動度ワイル系半金属（例：TaAsおよびNbAs）では非単調的で弱い負のLMRが観測されるが、低移動度材料（例：Na3BiおよびGdPtBi）では大きな単調な負のLMRが観測されるのはなぜか？
• RQ3 高磁場下での電流ジェッティング効果が、LMR測定における内在的ヘリカル異常をどれほど模倣または隠蔽するのか？
• RQ4 実験的に、内在的量子的ヘリカル異常効果と半古典的アーティファクト（例：電流ジェッティング）をどのように区別できるか？
• RQ5 トポロジカル不変量および微分幾何学が、量子場理論レベルでのヘリカル異常を理解する上で果たす役割は何か？

主な発見

• Na3BiおよびGdPtBiにおける大きな単調な負の縦磁場抵抗（25–500%）は、ヘリカル異常由来であることが確認され、内在的効果であると判明した。
• 高移動度ワイル系半金属TaAsおよびNbAsでは、観測された負のLMR（0.1–2%）は、電流ジェッティングに起因するアーティファクトであると判明し、内在的量子効果ではない。
• 磁場角度依存性に基づくLMRテストは、内在的ヘリカル異常効果と電流ジェッティングを効果的に区別でき、診断ツールとしての有効性を検証した。
• ディラック＝ワイル系半金属におけるヘリカル異常は、平行なEおよびB場下でのチラルランダウ準位間の電荷ポンプ効果に起因し、QFTの予測と整合的である。
• アティヤ＝シンガーのインデックス定理を用いて、ヘリカル異常はトポロジカル起源を有することが確認され、異常積分はチラルゼロモード数の差に一致する。
• ヘリカル異常は、QCDにおけるU(1)A問題と深く関係しており、4次元時空におけるトポロジカルカレントとしての役割を果たすことが示された。