[論文レビュー] Signature of the chiral anomaly in a Dirac semimetal: a current plume steered by a magnetic field

Jun Xiong, Satya Kushwaha+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 17被引用数 45

ひとこと要約

本論文は、ナトリウムビスクイニン酸塩（Na₃Bi）というディラック半金属において、高応答性で負の磁気抵抗を示すプラズマが、印加磁場と電場の方向に強くロックされた、非常に異方的な磁気抵抗のプラウムとして実験的に観測された。プラウムのコリメーションと磁場による制御は、チャージド・アキシャル電流の存在を確認するものであり、内部ノード散乱の長寿命（τᵥ/τ_tr ≈ 40–60）を示しており、固体系におけるチャージド・アノマリーの直接的証明となる。

ABSTRACT

In this talk, we describe recent experimental progress in detecting the chiral anomaly in the Dirac semimetal Na$_3$Bi in the presence of a magnetic field. The chiral anomaly, which plays a fundamental role in chiral gauge theories, was predicted to be observable in crystals by Nielsen and Ninomiya in 1983 [1]. Theoretical progress in identifying and investigating Dirac and Weyl semimetals has revived strong interest in this issue [2-6]. In the Dirac semimetal, the breaking of time-reversal symmetry by a magnetic field $\bf B$ splits each Dirac node into two chiral Weyl nodes. If an electric field $\bf E$ is applied parallel to $\bf B$, charge is predicted to flow between the Weyl nodes. We report the observation in the Dirac semimetal Na$_3$Bi of a novel, negative and highly anisotropic magnetoresistance (MR). We show that the enhanced conductivity has the form of a narrowly defined plume that can be steered by the applied field. The novel MR is acutely sensitive to deviations of $\bf B$ from $\bf E$, a feature incompatible with conventional transport. The locking of the current plume to the field appears to be a defining signature of the chiral anomaly.

研究の動機と目的

• 磁場および電場を印加した状態で、具体的にはディラック半金属Na₃Biにおいて、チャージド・アノマリーを検出すること。
• チャージド・アノマリーが、従来の輸送挙動とは明確に異なる、コリメートされた、場の方向に従う電流プラウムとして現れることを示すこと。
• 磁気抵抗パターンがBおよびEの整列に特異的にロックされていること、標準的なフェルミ面の異方性とは矛盾することを確立すること。
• 内部ノード散乱の緩和時間を測定し、チャージド・アノマリー理論に一致する異常に長い寿命を明らかにすること。
• 間接的な負の磁気抵抗を超えて、3次元ディラック半金属におけるチャージド・アノマリーの明確な実験的シグネチャーを提供すること。

提案手法

• 単結晶Na₃Biを用いて、さまざまな方向に磁場（B）および電場（E）を印けた状態で、低温輸送測定を実施する。
• BおよびEの方向を回転させながら、異なる結晶軸（x, y, z）に沿った縦磁気抵抗（MR）を測定し、角度依存性を調べる。
• R₁₄,₂₃およびR₃₅,₂₆の配置を用いて磁気抵抗の異方性を分析し、電導度の変化Δσₓₓを抽出する。
• 観測されたB²依存性の電導度増大を理論式σₓₓ/σ₀ ∝ (k_Fℓ_B)⁻⁴(τᵥ/τ_tr)にフィッティングし、内部ノード散乱の寿命を求める。
• x–y面およびx–z面におけるBの角度回転を用いて、電流プラウムの角度幅をマッピングし、場の整列依存性を検証する。
• 最大35 Tの高磁場領域を測定し、Hₖ ∼ 23 Tにおける高磁場不安定性および負のMR特徴の進化を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ディラック半金属におけるチャージド・アノマリーは、輸送測定によって実験的に観測可能か？
• RQ2 チャージド・アノマリーは、磁場の方向に従ってコリメートされ、制御可能な電流プラウムを生じるか？
• RQ3 観測された磁気抵抗パターンは、EおよびBの整列に特異的にロックされており、従来の異方性輸送とは明確に区別できるか？
• RQ4 チャージド電流における内部ノード散乱の緩和時間は何か？ また、標準的な輸送寿命と比較するとどうなるか？
• RQ5 チャージド・アノマリー理論が予測するように、高磁場領域で電流プラウムの角度幅が狭まるか？

主な発見

• Na₃Biにおいて、新しい、非常に異方的な負の磁気抵抗が観測され、磁場の方向に従って細かくコリメートされた電流プラウムが形成された。
• EおよびBが同一方向を向いているときにプラウムが最大となり、低磁場領域ではcos⁴φまたはcos⁴θの依存性と一致し、B > 2 Tで著しく狭まる。
• 電導度増大はB²依存性を示し、チャージド・アノマリー機構の理論的予測を確認する。
• 内部ノード散乱寿命と輸送寿命の比τᵥ/τ_trは、40–60の範囲で測定され、チャージド電流の崩壊に伴う異常に長い緩和時間を示している。
• 高磁場（最大35 T）領域では、Bがy軸に沿っている場合にHₖ ∼ 23 Tに新たな特徴が現れ、電子的不安定性を示唆するが、B||xの場合はアキシャル電流は依然として安定している。
• 弱磁場領域（B < 1 T）における負のMRパターンの場の制御は、従来のフェルミ面の異方性とは矛盾するため、チャージド・アノマリーの強力な証拠となる。