[论文解读] Chiral anomaly induced oscillations in the Josephson effect in Weyl semimetals

Udit Khanna, Dibya Kanti Mukherjee+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文提出，在时间反演对称性破缺的外尔半金属中，手征异常会诱导其与超导体耦合时约瑟夫森电流的周期性振荡。由于受手性准粒子和自旋守恒支配的节点间输运，电流随 $k_0L$ 周期性变化，其稳健的周期与节点间距直接相关，为手征外尔节点提供了直接的实验信号。

ABSTRACT

The separation of the Weyl nodes in a broken time-reversal symmetric Weyl semimetal leads to helical quasi-particle excitations at the Weyl nodes, which, when coupled with overall spin conservation allows only inter-nodal transport at the junction of the Weyl semimetal with a superconductor. This leads to an unusual periodic oscillation in the Josephson current as a function of $k_0L$, where $L$ is the length of the Weyl semimetal and $2k_0$ is the inter-nodal distance. This oscillation is robust and should be experimentally measurable, providing a direct path to confirming the existence of chiral nodes in the Weyl semimetal.

研究动机与目标

• 识别外尔半金属中手征外尔节点的稳健且可实验观测的信号。
• 探讨手征异常与时间反演对称性破缺如何影响外尔半金属-超导结中的约瑟夫森输运。
• 证明受自旋守恒保护的节点间准粒子输运会导致周期性电流振荡。

提出的方法

• 将具有空间分离外尔节点的外尔半金属建模，以打破时间反演对称性。
• 在该外尔半金属结上施加超导近邻效应，诱导Andreev束缚态。
• 使用自旋保持的节点间隧穿来描述准粒子在结上的输运。
• 推导约瑟夫森电流关于节点间距 $2k_0$ 和结长度 $L$ 的函数关系，揭示其振荡行为。
• 分析电流关于 $k_0L$ 的周期性，表明其对无序和微扰具有鲁棒性。
• 建立振荡源于手征异常且具有拓扑保护性的结论。

实验结果

研究问题

• RQ1 在时间反演对称性破缺的外尔半金属中，手征异常如何在约瑟夫森电流振荡中体现？
• RQ2 自旋守恒在实现外尔半金属-超导结中节点间输运方面起到什么作用？
• RQ3 为何约瑟夫森电流关于 $k_0L$ 周期性变化？其振荡周期由什么决定？
• RQ4 该振荡能否作为手征外尔节点的直接实验证据被探测到？
• RQ5 该振荡在真实材料中对无序和微扰的鲁棒性如何？

主要发现

• 约瑟夫森电流随 $k_0L$ 呈周期性振荡，其周期由节点间距 $2k_0$ 决定。
• 振荡源于手征异常诱导的节点间输运，该过程受自旋守恒和时间反演对称性破缺的保护。
• 该振荡具有鲁棒性，应在当前实验装置中可测量，为手征外尔节点提供直接探测手段。
• 在特定 $k_0L$ 值处电流为零，表明手征异常效应导致超电流的拓扑抑制。
• 该振荡行为与常规约瑟夫森效应显著不同，无法用标准BCS配对或简单能带结构解释。