[論文レビュー] Thermal chiral anomaly in the magnetic-field induced ideal Weyl phase of Bi89Sb11

Dung Vu, Wenjuan Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ゼーマン場下におけるBi89Sb11で、化学ポテンシャルがワイル点にピン留めされ、非自明なフェルミポケットが存在しない条件下で、熱的キラル異常を実証した。熱勾配に平行な磁場を印加することで、60 K以上でWiedemann-Franz則に従う大きな熱伝導度の増大を観測し、外部の電流経路に起因する影響を排除した熱的キラル異常の実証がなされた。

ABSTRACT

The chiral anomaly is the predicted break down of chiral symmetry in a Weyl semimetal with monopoles of opposite chirality when an electric field parallel to a magnetic field is applied. It occurs because of charge pumping from a positive chirality to a negative chirality monopole. Experimental observation of this fundamental effect has been plagued by concerns about the pathways of the current. Here, we unambiguously demonstrate the thermal analog of the chiral anomaly in topological insulator bismuth-antimony alloys driven into an ideal Weyl semimetal state by a Zeeman field, with the chemical potential pinned at the Weyl points, and in which the Fermi surface has no trivial pockets. The experimental signature is a large enhancement of the thermal conductivity in an applied magnetic field parallel to the thermal gradient that follows the Wiedemann-Franz law above 60 K. Absence of current flow avoids extrinsic effects that plague electrical measurements.

研究の動機と目的

• トポロジカルワイル半金属相における熱的キラル異常を明確に観測すること。
• 従来の電気的測定において問題となっていた、電流経路に起因する外部的効果を排除すること。
• 化学ポテンシャルがワイル点にピン留めされている場合に、キラル異常が熱輸送に現れることを示すこと。
• 熱応答がWiedemann-Franz則に従うことを確認し、効果のトポロジカル性を裏付けること。
• 非自明なフェルミポケットを有さない清浄なプラットフォームを、Bi89Sb11を用いて構築すること。

提案手法

• ゼーマン場を用いてBi89Sb11を理想のワイル半金属状態に誘導し、キラルモノポールを生成すること。
• 化学ポテンシャルをワイル点にピン留めすることで、トポロジカル保護を確保し、非自明な寄与を排除すること。
• 熱勾配に平行な磁場を印加し、熱輸送におけるキラル異常を誘導すること。
• 磁場および温度の変化に応じた熱伝導度の測定を通じて、異常を検出すること。
• Wiedemann-Franz則を一貫性の確認に用い、観測された増大がキラル異常固有のものであることを確認すること。
• Wiedemann-Franz則が成り立つ60 K以上の領域において結果を比較し、熱応答のトポロジカル起源を裏付けること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非自明なフェルミポケットの影響がないトポロジカルワイル半金属で、熱的キラル異常を観測できるか？
• RQ2 熱勾配に平行な磁場を印加することで、熱伝導度に測定可能な増大が生じるか？
• RQ3 観測された増大がWiedemann-Franz則に従うか。これは、トポロジカル保護された輸送メカニズムを示唆する。
• RQ4 電流の流れを排除することで、キラル異常を熱輸送において分離できるか？
• RQ5 Bi89Sb11の理想ワイル状態における、熱伝導度増大の温度依存性は何か？

主な発見

• 熱勾配に平行な磁場をBi89Sb11に印加した際、大きな熱伝導度の増大が観測された。
• 60 K以上で増大がWiedemann-Franz則に従うことが確認され、効果のトポロジカル起源が裏付けられた。
• 化学ポテンシャルがワイル点にピン留めされており、非自明なフェルミポケットからの寄与が排除された。
• 電流の流れがないため、従来の電気的測定で問題となっていた外部的効果が回避された。
• 観測された熱応答は、清浄なトポロジカル系におけるキラル異常の熱的アナログであると特定された。
• 結果として、ゼーマン場によって誘導された理想ワイル半金属状態における、熱的キラル異常の明確な証明が得られた。