[论文解读] Observation of the Adler-Bell-Jackiw chiral anomaly in a Weyl semimetal

Chenglong Zhang, Su‐Yang Xu+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用 82

一句话总结

该论文通过磁电输运测量，首次在钽砷（TaAs）拓扑半金属中实验观测到阿德勒-贝尔-杰基夫（Adler-Bell-Jackiw）手征异常。研究结果表明，在电场与磁场平行时，材料表现出与温度无关的二次方磁致电导率增加，且具有强烈的角依赖性，证实了手征电荷的非守恒性，为固体体系中外尔费米子的首个输运特征提供了证据。

ABSTRACT

We report the experimental discovery of Adler-Bell-Jackiw chiral anomaly in a Weyl semimetal crystal.

研究动机与目标

• 在凝聚态系统中首次实验观测到量子场论中预测但此前未被观测到的阿德勒-贝尔-杰基夫手征异常。
• 通过施加磁场和电场下的手征电荷非守恒性，识别外尔费米子的明确输运特征。
• 在高迁移率外尔半金属TaAs中，建立手征异常与可测量电输运之间的直接联系。
• 通过系统测量验证手征异常随费米能级和磁场取向的理论标度关系。
• 通过展示真实材料中稳健的手征异常效应，为未来‘谷极化’器件应用奠定基础。

提出的方法

• 在高迁移率TaAs单晶上进行低温磁电导率测量，电场与磁场平行或呈可变角度施加。
• 使用多组分拟合函数（公式2）分离手征异常与常规输运的贡献，包括外尔节点响应和费米口袋贡献项。
• 测量磁电导率的角依赖性，以检验在E∥B时达到最大值、在正交构型下被抑制的预测。
• 通过角分辨光电子能谱（ARPES）测绘外尔节点位置和费米能级，支持对手征异常归属特定节点的判断。
• 理论建模证实，手征异常贡献与∝E_F^−2成正比，且在低温下温度依赖性微弱，与实验数据一致。
• 对比两组样品（S1和S2）的实验结果，其费米能级分别为−1.5 meV和+3.0 meV，以验证手征异常的E_F^−2标度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电场与磁场平行时，手征异常是否在拓扑半金属中表现为磁致电导率的可测量增强？
• RQ2 手征异常对电导率的贡献是否如理论预测的那样在低温下与温度无关？
• RQ3 当电场与磁场方向错位时，手征异常是否如对称性考虑所预期的那样消失？
• RQ4 手征异常的大小是否如理论模型所要求的那样与费米能级的平方成反比？
• RQ5 是否可通过多参数拟合模型将手征异常从常规输运贡献中分离出来？

主要发现

• 在20 K以下，手征异常对磁致电导率的贡献几乎与温度无关，证实了其在低温下的微弱温度依赖性。
• 当E∥B时，手征异常贡献出现尖锐峰值，而在仅5°的偏移角下即衰减至接近零，证实了其强烈的角依赖性。
• 对费米能级分别为−1.5 meV和+3.0 meV的两组样品，测得的手征异常幅度之比为5.0，与理论预测的E_F^−2标度（预期比值为4.0）一致。
• 手征异常贡献在磁致电导率中可良好地用H²的二次函数关系描述，其拟合系数C_W支持理论模型。
• 数据清晰显示出两个磁致电导率峰：一个在零场处（常规输运），另一个在有限磁场处（手征异常），证实了其存在。
• 理论与ARPES结果共同表明，手征异常主要由外尔节点W2主导，而W1的贡献被抑制约50倍。