[论文解读] Detection of chiral anomaly and valley transport in Dirac semimetals

Cheng Zhang, Enze Zhang+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究通过施加平行电场与磁场，在狄拉克半金属Cd3As2中实验验证了手征异常与谷输运现象，观测到负磁阻及场致凯尔效应，表明存在手征不平衡。稳健的非局域谷扩散在室温下依然存在，证实了拓扑手征费米子行为，并为谷电子器件开辟了新途径。

ABSTRACT

Chiral anomaly is a non-conservation of chiral charge pumped by the topological nontrivial gauge field. As an analogy to the similar phenomenon in high-energy physics, the chiral anomaly in condensed matter is predicted to exist in the emergent quasiparticle excitations in Dirac and Weyl semimetals. However, the current understanding of such concept mostly remains in the theoretical consideration, which lacks of convincing experimental identification. Here, for the first time, we experimentally observe the existence of the chiral anomaly and the related valley transport in Cd3As2. We find that the chiral imbalance induced by external electric and magnetic fields leads to a non-zero gyrotropic coefficient {\gamma}, which can be confirmed by the field-generated Kerr effect. By applying B along the current direction, we observe a negative magnetoresistance despite the giant positive one at other directions, a clear indication of the chiral anomaly. Remarkably, a robust nonlocal response from valley diffusion originated from the chiral anomaly is observed up to room temperature when B is parallel to E. Our discovery of the chiral anomaly in Cd3As2 Dirac semimetal opens up a brand-new route to understand its fundamental properties with a controllable chiral imbalance through external fields and utilize the chiral fermions in valleytronic applications.

研究动机与目标

• 通过实验证实狄拉克半金属中的手征异常，该现象此前仅被理论预测。
• 通过真实材料体系中可测量的电磁响应识别手征不平衡。
• 在外部电场与磁场作用下，展示由手征异常驱动的谷输运。
• 探索手征费米子在高温、非局域谷电子学应用中的潜力。

提出的方法

• 施加平行电场（E）与磁场（B）以在Cd3As2中诱导手征不平衡。
• 通过场致凯尔效应测量以检测非零旋光系数γ，表明手征电荷不守恒。
• 当B与E方向一致时，观测到负磁阻，这是手征异常的典型特征。
• 利用非局域电输运测量检测源自手征不平衡的谷扩散。
• 系统性改变磁场取向，以区分手征异常效应与常规磁阻效应。
• 在室温下运行，以确认手征输运的鲁棒性，适用于实际应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 狄拉克半金属中的手征异常能否通过可测量的电磁响应在实验中观测到？
• RQ2 在Cd3As2中，谷输运在手征异常驱动现象中扮演何种角色？
• RQ3 电场与磁场的取向如何影响磁阻与手征电荷动力学？
• RQ4 在存在手征不平衡的情况下，非局域谷输运在室温下能持续多长时间？
• RQ5 能否通过凯尔效应实验量化旋光系数γ，以确认手征异常的特征信号？

主要发现

• 当磁场与电流方向一致时，观测到负磁阻，为手征异常提供了直接证据。
• 通过场致凯尔效应确认了非零旋光系数γ，表明手征电荷不守恒。
• 在平行E与B场作用下，室温下检测到稳健的非局域电响应，源自谷扩散。
• 手征异常诱导了可测量的手征不平衡，且在外部场控制下仍能持续存在。
• 观测到的谷输运在无强磁场条件下依然稳定且可检测，为室温谷电子学应用提供了可能。
• 手征异常的实验特征与常规正磁阻明显不同，证实其具有拓扑起源。