[论文解读] Review of experiments on the chiral anomaly in Dirac-Weyl semimetals

N. P. Ong, Sihang Liang|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 25被引用 4

一句话总结

本文综述了狄拉克和外尔半金属中手征异常的实验证据，重点关注纵向磁阻（LMR）作为关键特征。通过提出的一种检验方法，区分了本征量子效应与电流喷流等半经典的伪影，确认在Na3Bi和GdPtBi中观察到的大范围负向LMR为本征效应，而在TaAs和NbAs中则很可能是伪影，从而解决了该领域的一个关键争议。

ABSTRACT

We provide a review of recent experimental results on the chiral anomaly in Dirac/Weyl semimetals. After a brief introduction, we trace the steps leading to the prediction of materials that feature protected 3D bulk Dirac nodes. The chiral anomaly is presented in terms of charge pumping between the chiral Landau levels of Weyl fermions in parallel electric and magnetic fields. The related chiral magnetic effect and chiral zero sound are described. Current jetting effects, which present major complications in experiments on the longitudinal magnetoresistance, are carefully analyzed. We describe a recent test that is capable of distinguishing these semiclassical artifacts from intrinsic quantum effects. Turning to experiments, we review critically the longitudinal magnetoresistance experiments in the Dirac/Weyl semimetals Na3Bi, GdPtBi, ZrTe5 and TaAs. Alternate approaches to the chiral anomaly, including experiments on non-local transport, thermopower, thermal conductivity and optical pump-probe response are reviewed. In the Supplement, we provide a brief discussion of the chiral anomaly in the broader context of high energy physics and relativistic quantum field theory, as well the anomaly's starring role at the nexus of quantum physics and differential geometry.

研究动机与目标

• 批判性评估三维狄拉克和外尔半金属中手征异常的实验特征，特别是纵向磁阻（LMR）。
• 解决在高迁移率外尔半金属（如TaAs和NbAs）中观察到的负向LMR是否为本征效应还是电流喷流伪影的争议。
• 提出并验证一种新的实验检验方法，以区分本征量子效应与半经典的电流不均匀性。
• 综述手征异常的其他实验探测手段，包括非局域输运、热电功率、热导率和光学响应。
• 从量子场论和微分几何的角度，将手征异常置于理论框架中，强调其拓扑起源及其在高能物理中的作用。

提出的方法

• 分析Na3Bi、GdPtBi、TaAs和ZrTe5的纵向磁阻（LMR）数据，以识别手征异常的特征。
• 应用一种近期提出的基于LMR磁场角度依赖性的检验方法，以区分本征量子效应与电流喷流伪影。
• 利用量子场论（QFT）的理论框架，包括Adler-Bell-Jackiw（ABJ）异常和Fujikawa的路径积分方法，来解释实验结果。
• 综述平行电场和磁场下Landau能级的量子化及手征泵浦机制，作为手征异常的量子机制。
• 考察其他实验方法：非局域输运、热电功率、热导率以及超快光学泵浦-探测测量。
• 通过Atiyah-Singer指标定理和QCD中的瞬子效应，建立手征异常与拓扑不变量之间的联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 狄拉克和外尔半金属中的哪些实验特征可为手征异常提供证据？
• RQ2 为何高迁移率外尔半金属（如TaAs和NbAs）表现出非单调、弱负的LMR，而低迁移率材料（如Na3Bi和GdPtBi）则表现出大范围、单调的负向LMR？
• RQ3 在强磁场下，电流喷流效应在多大程度上会模拟或掩盖LMR测量中的本征手征异常？
• RQ4 如何通过实验手段区分本征量子手征异常效应与半经典伪影（如电流喷流）？
• RQ5 拓扑不变量与微分几何在量子场论层面理解手征异常时起什么作用？

主要发现

• 在Na3Bi和GdPtBi中观察到的大范围、单调负向纵向磁阻（25–500%）被确认为本征效应，源于手征异常。
• 在高迁移率外尔半金属TaAs和NbAs中，观察到的负向LMR（0.1–2%）被发现是电流喷流伪影，而非本征量子效应。
• 基于磁场角度依赖性的LMR检验方法成功区分了本征手征异常效应与电流喷流，验证了其作为诊断工具的有效性。
• 狄拉克-外尔半金属中的手征异常与平行E场和B场下手征Landau能级之间的电荷泵浦有关，与QFT预测一致。
• 通过Atiyah-Singer指标定理确认了手征异常的拓扑起源，其中异常积分对应于手征零模式数目的差值。
• 手征异常被证明与瞬子及QCD中的U(1)A问题密切相关，其在四维时空中的作用表现为拓扑电流。