[论文解读] Charge Density Waves and Axion Strings from Weyl Semimetals

Zhong Wang, Shengbai Zhang|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文提出，在三维外尔半金属中，手征对称性自发破缺产生的电荷密度波（CDW）会形成轴子弦作为拓扑缺陷——具体而言，是CDW序中的位错。这些轴子弦承载无能隙的手征模式，实现无耗散输运，并将CDW相模式识别为通过拓扑θE·B项与电磁场耦合的轴子。

ABSTRACT

We study dynamical instability and chiral symmetry breaking in three dimensional Weyl semimetals, which turns Weyl semimetals into insulators. Charge density waves (CDW) is found to be the natural consequence of the chiral symmetry breaking. The phase mode of this charge density wave state is identified as the axion, which couples to electromagnetic field in the topological $ heta{\bf E}\cdot{\bf B}$ term. One of our main results is that the can be realized as the (screw or edge) dislocations in the charge density wave, which provides a simple physical picture for the elusive axion strings. These axion strings carry gapless chiral modes, therefore they have important implications for dissipationless transport properties of Weyl semimetals with broken symmetry.

研究动机与目标

• 研究三维外尔半金属中动力学不稳定性与手征对称性破缺的机制。
• 确定由手征对称性破缺产生的涌现拓扑序参数。
• 识别电荷密度波的相模式为与电磁场耦合的轴子场。
• 建立轴子弦作为电荷密度波结构中位错的物理实现。
• 探讨轴子弦承载无能隙手征模式所带来的输运影响。

提出的方法

• 分析手征对称性破缺下外尔半金属的有效场论，推导电荷密度波的涌现。
• 将CDW的相模式识别为轴子场，其通过拓扑θE·B项与电磁场耦合。
• 将CDW序参数中的拓扑缺陷映射为轴子弦，具体建模为螺旋位错或刃位错。
• 利用拓扑场论证明，由于手征异常，轴子弦支持无能隙手征模式。
• 应用手征异常与贝里相位形式化，解释轴子弦上手征边缘模式的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 外尔半金属中的手征对称性破缺如何导致电荷密度波的形成？
• RQ2 CDW相模式在凝聚态系统中实现轴子场的角色是什么？
• RQ3 在具有对称性破缺的外尔半金属中，轴子弦如何实现为物理实体？
• RQ4 在此背景下，轴子弦的拓扑性质与输运特性是什么？
• RQ5 无能隙手征模式如何在轴子弦上涌现，其对无耗散输运有何影响？

主要发现

• 外尔半金属中的手征对称性破缺自然导致电荷密度波（CDW）基态的形成。
• CDW的相模式被识别为轴子场，通过拓扑θE·B项与电磁场耦合。
• 轴子弦作为CDW中的拓扑缺陷出现，具体表现为电荷密度调制中的螺旋位错或刃位错。
• 由于手征异常与拓扑保护，这些轴子弦支持鲁棒的无能隙手征模式。
• 这些手征模式的存在对具有手征对称性破缺的外尔半金属中的无耗散输运具有重要影响。
• 该系统实现了轴子的凝聚态类比，其中轴子弦通过缺陷结构提供了这一神秘拓扑物体的可观测实现。