[论文解读] Chiral magnetic effect of Weyl fermions and its applications to cubic noncentrosymmetric metals

Pallab Goswami, Sumanta Tewari|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2013

Rare-earth and actinide compounds被引用 7

一句话总结

该论文通过紧束缚格点模型，在立方非中心对称金属中展示了手征磁效应（CME），表明具有能量分离的手征节点的外尔费米子可在外加磁场方向产生非耗散电流。即使在连续体极限之外，CME电导率仍为有限值，且可测量的电流密度达约3.3 A/mm²（在1 T磁场和300 K温度下），确立了这些材料作为观测拓扑CME的可行平台，并为磁传感器应用提供了可能。

ABSTRACT

When the right and the left handed Weyl points are separated in energy, they give rise to a non-dissipative charge current along the direction of a uniform applied magnetic field, even in the absence of an external electric field. This effect is known as the chiral magnetic effect and is a hallmark of the underlying chiral anomaly of the Weyl fermions. According to the linearized continuum theory of Weyl fermions, the induced current is proportional to the magnetic field strength and the energy separation with a universal coefficient $e^2/h^2$. By considering a generic tight binding model for the cubic noncentrosymmetric metals, we show that such a system naturally supports a set of Weyl points, which are separated in energies. We also show the existence of the chiral magnetic effect for generic band parameters, and recover the universal result of the continuum Weyl fermions for a restricted parameter regime. Therefore, cubic noncentrosymmetric metals can serve as suitable platforms for realizing Weyl fermions and the exotic chiral elctrodynamic phenomena, which have promising technological applications.

研究动机与目标

• 在真实格点模型中确立外尔半金属中外尔费米子的手征磁效应（CME）的存在，以反驳关于CME因晶格效应而消失的论断。
• 识别立方非中心对称金属作为外尔费米子的天然宿主，其因自旋-轨道耦合而具有能量分离的手征节点。
• 推导适用于任意能带结构的通用手征磁电导率公式，该公式在非线性连续体近似之外依然有效。
• 通过数值方法量化CME电导率，并证明其在室温下的鲁棒性，从而实现实验检测。

提出的方法

• 为立方非中心对称金属构建一个通用的紧束缚哈密顿量，引入自旋-轨道耦合以实现具有能量分离的手征点。
• 利用贝里曲率和费米面贡献，推导出手征磁电导率的半经典公式，其中关键项涉及费米函数的导数。
• 将推导出的电导率公式应用于数值计算σ_ch，涵盖不同能带参数和温度下的情况，包括T=0和有限温度区域。
• 通过动量空间的数值积分评估手征磁电导率，验证结果在适当参数区域内与普遍连续体极限一致。
• 采用Li2Pt3B的从头算研究参数化方法，建立真实能带参数并评估温度依赖性。
• 将结果与连续体极限预测值σ_ch = e²Δ/h²进行比较，确认在低能、长波长区域的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在晶格效应的担忧，手征磁效应是否仍能在外尔费米子的格点模型中持续存在？
• RQ2 立方非中心对称金属是否能因自旋-轨道耦合而容纳具有能量分离手征节点的外尔费米子？
• RQ3 在真实材料中，手征磁电导率在室温下是否仍为有限值且可测量？
• RQ4 在非连续体区域，手征磁电导率如何依赖于能带参数和温度？
• RQ5 能否推导出一个适用于非线性连续体理论之外的一般手征磁电导率公式？

主要发现

• 在格点模型中，手征磁效应仍为有限值，证实其存在性，即使在线性化连续体近似失效时亦然。
• 在室温下，手征磁电导率σ_ch保持显著，对于Li2Pt3B中的真实能带参数，其值约为0.09t₁e²/h²。
• 在1高斯磁场和室温条件下，感应电流密度可达约3.3 A/mm²，该值在实验上可测量。
• 推导出的手征磁电导率公式在适当参数区域内正确重现了普遍连续体结果σ_ch = e²Δ/h²。
• CME主要源于费米函数的导数（即费米面），而非费米函数本身，凸显了贝里曲率在非耗散输运中的作用。
• 即使在t₃/t_SO > 0.02时，系统已偏离连续体极限，σ_ch仍保持有限，表明CME在格点系统中具有鲁棒性。