[论文解读] Floquet dynamics in multi-Weyl semimetals

Amit Gupta|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用 5

一句话总结

该论文提出，对具有更高单极子荷 J 的材料施加周期性圆偏振光照射，可驱动从平凡绝缘体到多外尔半金属（m-WSM）的拓扑相变。通过调节激光强度，系统可形成可调分离的外尔节点，并表现出与 $A_0^{2J}$ 成正比的极大反常霍尔电导率，该电导率可通过输运测量或泵浦-探测 ARPES 实验测量。

ABSTRACT

Multi-Weyl semimetals(m-WSMS) are characterized by anisotropic non-linear energy dispersion along 2-D plane and a linear dispersion in orthogonal direction. They have topological charge J and are realized when two or multiple Weyl nodes with nonzero net monopole charge bring together onto a high-symmetry point. The model Hamiltonians of such systems show various phases such as trivial normal insulators (NIs), WSMs and quantum anomalous Hall(QAH) states depending on the model parameters. We study a periodic driving of such Hamiltonians in trivial NI phase by circularly polarized light and shows this phase can be tunable to Weyl semimetals phase. This transition can be accomplished with large anomalous Hall conductivity which could be observed in transport measurements or pump-probe angle resolved photoemission spectroscopy experiments.

研究动机与目标

• 研究具有单极子荷 J > 1 的多外尔半金属（m-WSMs）在周期性驱动下的弗洛凯工程。
• 探索利用圆偏振光诱导从平凡绝缘体（NI）到外尔半金属（WSM）相的拓扑相变的可能性。
• 量化驱动 m-WSM 相中大反常霍尔电导率的出现及其对激光参数的可调性。
• 为输运和 ARPES 测量中可观测的相变特征提供理论框架。

提出的方法

• 将弗洛凯理论的形式化方法应用于沿 z 方向受圆偏振光照射的 m-WSMs 的时间周期性哈密顿量。
• 通过佩尔斯替换引入激光场，推导出描述系统动力学的有效时间平均哈密顿量。
• 通过在扩展弗洛凯空间中对弗洛凯哈密顿量进行对角化，数值计算能谱，揭示能隙关闭与重开。
• 利用线性响应理论计算反常霍尔电导率，结合弗洛凯能带结构中的贝里曲率和费米-狄拉克分布。
• 对固定 $k_z$ 平面计算陈数 $C(k_z)$，以识别拓扑相，其中在 WSM 相中 $C = J$。
• 在零温及零化学势极限下，推导出霍尔电导率的解析表达式，显示 $\sigma_{xy} \propto A_0^{2J}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 圆偏振光是否能在单极子荷 J 的体系中诱导从平凡绝缘体到多外尔半金属的拓扑相变？
• RQ2 激光强度与频率如何调控驱动 m-WSM 相中外尔节点的位置与分离？
• RQ3 反常霍尔电导率对激光场振幅及单极子荷 J 的依赖关系如何？
• RQ4 该拓扑相变及其相关输运特征是否可通过泵浦-探测 ARPES 或输运测量实验探测？

主要发现

• 施加圆偏振光可诱导从平凡绝缘体到多外尔半金属相的拓扑相变，三重外尔半金属模型在 $A_0 \approx 1.4$ 时出现能隙关闭。
• 随着激光强度增加，外尔节点沿 $k_y$-方向对称出现，其分离度随 $A_0$ 增大而增加。
• 反常霍尔电导率 $\sigma_{xy}(A_0)$ 在固定频率 $\omega$ 下与 $A_0^{2J}$ 成正比，表达式为 $\sigma_{xy}(A_0) = J \frac{e^2}{h\pi} \sqrt{(t_z - m_z + \frac{A_0^{2J} \alpha_J^2}{J\omega}) / (0.5 t_z)}$。
• 在存在外尔节点的动量平面中，陈数 $C(k_z) = J$，证实了该相的拓扑本质。
• 由于反常霍尔响应大且可调，该相变在输运测量和泵浦-探测 ARPES 中可观测。
• 该模型预测，即使在真实材料中尚未实现，三重外尔半金属也可通过光控实现。