[论文解读] Intrinsic chiral magnetic effect in Dirac semimetals due to dislocations

M. N. Chernodub, M. A. Zubkov|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出，狄拉克半金属中的位错通过涌现磁通产生一种本征的手性磁效应，沿位错轴方向诱导出手性费米子模式。当外加电场平行于位错方向时，能谱流将轴向电荷泵送，本征磁场产生纵向电流传导，从而在输运测量中增强电导率。

ABSTRACT

A dislocation in a Dirac semimetal carries an emergent magnetic flux parallel to the dislocation axis. We show that due to the emergent magnetic field the dislocation accommodates a single fermion massless mode of a corresponding low-energy one-particle Hamiltonian. The mode is propagating along the dislocation with its spin directed parallel to the dislocation axis. In agreement with the chiral anomaly observed in Dirac semimetals, an external electric field to the spectral flow of the one-particle Hamiltonian by pumping the fermionic quasiparticles out from vacuum and creating a nonzero axial (chiral) charge in the vicinity of the dislocation. In the presence of the chirality imbalance, the intrinsic magnetic field of the dislocation generates an electric current along the dislocation axis. We point out that this effect – which is an intrinsic analogue of the chiral magnetic effect – may experimentally reveal itself through transport measurements in Dirac semimetals via enhanced conductivity when the external electric field is parallel to the dislocation axis.

研究动机与目标

• 研究位错如何在狄拉克半金属中诱导出手性费米子模式。
• 理解位错产生的涌现磁通如何导致在外加电场下轴向电荷的泵送。
• 证明位错的本征磁场通过手性磁效应在轴向产生净电流传导。
• 提出当外加电场与位错轴对齐时，可测量的输运特征——电导率增强。

提出的方法

• 将位错建模为低能有效哈密顿量中沿位错轴方向的涌现磁通源。
• 分析单粒子哈密顿量，识别出沿位错方向传播的单一无质量费米子模式。
• 施加外电场以诱导能谱流，将准粒子从真空泵送，产生轴向（手性）电荷。
• 计算在手性不平衡存在下，位错本征磁场产生的电流。
• 利用对称性和拓扑考虑，将手性反常与沿位错方向的净电流产生联系。
• 通过狄拉克半金属中的输运测量预测实验可观测的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 狄拉克半金属中的位错如何产生涌现磁通及其相关手性费米子模式？
• RQ2 手性反常在何种程度上通过外加电场下的能谱流实现轴向电荷泵送？
• RQ3 位错的本征磁场如何在轴向产生净电流传导？
• RQ4 当外加电场平行于位错轴时，可预期何种可测量的输运响应？
• RQ5 此效应以何种方式构成手性磁效应的本征类比？

主要发现

• 狄拉克半金属中的位错沿位错轴方向支持单一的手性费米子模式，其自旋与轴向平行排列。
• 位错产生的涌现磁通导致手性反常，使在外加电场下可实现能谱流。
• 由于手性反常，轴向电荷被泵送至位错附近，形成手性不平衡。
• 位错的本征磁场在手性不平衡下产生沿位错轴方向的净电流传导。
• 当外加电场平行于位错轴时，预测纵向电导率增强。
• 该效应为在狄拉克半金属中探测本征手性磁效应提供了独特的输运特征。