[论文解读] High-field magnetoconductivity of topological semimetals with short-range potential

Hai‐Zhou Lu, Song-Bo Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 49被引用 6

一句话总结

本论文通过建模短程杂质散射，重新评估了拓扑半金属中的高场磁电导率，揭示出电导率主要取决于费米速度而非 Landau 能级简并度。研究识别出三种在强磁场下出现负磁电导率的情景，挑战了长期以来认为正磁电导率是手征异常确定性标志的观点。

ABSTRACT

Weyl semimetals are three-dimensional topological states of matter, in a sense that they host paired monopoles and antimonopoles of Berry curvature in momentum space, leading to the chiral anomaly. The chiral anomaly has long been believed to give a positive magnetoconductivity or negative magnetoresistivity in strong and parallel fields. However, several recent experiments on both Weyl and Dirac topological semimetals show a negative magnetoconductivity in high fields. Here, we study the magnetoconductivity of Weyl and Dirac semimetals in the presence of short-range scattering potentials. In a strong magnetic field applied along the direction that connects two Weyl nodes, we find that the conductivity along the field direction is determined by the Fermi velocity, instead of by the Landau degeneracy. We identify three scenarios in which the high-field magnetoconductivity is negative. Our findings show that the high-field positive magnetoconductivity may not be a compelling signature of the chiral anomaly and will be helpful for interpreting the inconsistency in the recent experiments and earlier theories.

研究动机与目标

• 解决理论预测的正磁电导率与高磁场下实验观测到的负磁电导率之间的矛盾。
• 研究短程杂质散射在 Weyl 和 Dirac 半金属中对磁电导率的影响。
• 确定高场正磁电导率是否仍是手征异常的稳健标志。
• 建立一个理论框架，以考虑 Landau 能级输运中散射率和费米速度的磁场依赖性。

提出的方法

• 构建一个具有有限动量空间分离的 Weyl 半金属双节点模型。
• 通过 δ 函数势引入短程杂质散射，计算 Landau 能级之间的矩阵元。
• 推导出显式依赖于费米速度和场依赖散射率的电导率公式，而非 Landau 简并度。
• 采用自洽处理散射时间的方法，包括 ν=0 与 ν=1± 之间虚跃迁的贡献。
• 应用修正形式的 Kubo 公式，结合推迟和先进格林函数，计算纵向电导率 σxx。
• 引入校正因子 Λ 以考虑 Landau 能级非均匀展宽，从而提高标准近似方法的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何近期实验在高磁场下观测到负磁电导率，与理论预测的正磁电导率相悖？
• RQ2 短程杂质散射在多大程度上改变了拓扑半金属中电导率的磁场依赖性？
• RQ3 在 Weyl 和 Dirac 半金属中，费米速度是否主导高场电导率，而非 Landau 能级简并度？
• RQ4 在手征异常存在的前提下，负磁电导率在何种条件下仍可出现？
• RQ5 通过更精确处理散射机制，能否解释理论与实验之间存在的不一致？

主要发现

• 在短程散射存在下，高场磁电导率主要由费米速度决定，而非 Landau 能级简并度。
• 识别出三种不同情景，在强磁场下即使存在手征异常，磁电导率仍会变为负值。
• 从 ν=0 到 ν=1± Landau 能级的跃迁散射率 τ⁻¹ 通过磁场依赖的费米速度和波函数重叠而依赖于磁场。
• 电导率公式表明，σxx 与 x 方向速度矩阵元的平方成正比，且与从 ν=1± 到 ν=0 的散射率成反比。
• 该模型在不假设手征异常失效的前提下，解释了实验观测到的高场负磁电导率。
• 在短程散射条件下，标准假设 Landau 简并度主导电导率是无效的；相反，费米速度和散射时间的重整化才是关键因素。