[论文解读] Signature of the chiral anomaly in a Dirac semimetal: a current plume steered by a magnetic field

Jun Xiong, Satya Kushwaha+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 17被引用 45

一句话总结

该论文通过高度各向异性、负磁阻的喷流状特征，首次在狄拉克半金属 Na₃Bi 中实验观测到手征异常，该特征与外加磁场和电场方向紧密锁定。磁场对喷流的准直与导引作用证实了手征轴向电流的存在，其非对称散射寿命较长（τᵥ/τ_tr ≈ 40–60），为固体体系中手征异常提供了直接证据。

ABSTRACT

In this talk, we describe recent experimental progress in detecting the chiral anomaly in the Dirac semimetal Na$_3$Bi in the presence of a magnetic field. The chiral anomaly, which plays a fundamental role in chiral gauge theories, was predicted to be observable in crystals by Nielsen and Ninomiya in 1983 [1]. Theoretical progress in identifying and investigating Dirac and Weyl semimetals has revived strong interest in this issue [2-6]. In the Dirac semimetal, the breaking of time-reversal symmetry by a magnetic field $\bf B$ splits each Dirac node into two chiral Weyl nodes. If an electric field $\bf E$ is applied parallel to $\bf B$, charge is predicted to flow between the Weyl nodes. We report the observation in the Dirac semimetal Na$_3$Bi of a novel, negative and highly anisotropic magnetoresistance (MR). We show that the enhanced conductivity has the form of a narrowly defined plume that can be steered by the applied field. The novel MR is acutely sensitive to deviations of $\bf B$ from $\bf E$, a feature incompatible with conventional transport. The locking of the current plume to the field appears to be a defining signature of the chiral anomaly.

研究动机与目标

• 在施加磁场和电场的条件下，探测狄拉克半金属 Na₃Bi 中的手征异常。
• 证明手征异常表现为一种准直的、由磁场方向引导的电流喷流，与常规输运行为截然不同。
• 确立磁阻图案与 B 和 E 方向对齐的唯一性，排除标准费米面各向异性的可能性。
• 测量非对称散射的弛豫时间，揭示与手征异常物理一致的异常长寿命。
• 提供 3D 狄拉克半金属中手征异常的决定性实验特征，超越间接的负磁阻现象。

提出的方法

• 在单晶 Na₃Bi 上进行低温输运测量，施加不同取向的磁场（B）和电场（E）。
• 在旋转 B 和 E 的同时，沿不同晶轴（x, y, z）测量纵向磁阻（MR），以探测其角度依赖性。
• 通过 R₁₄,₂₃ 和 R₃₅,₂₆ 配置分析磁阻各向异性，提取电导率变化 Δσₓₓ。
• 将观测到的电导增强与 B² 的依赖关系拟合至理论表达式 σₓₓ/σ₀ ∝ (k_Fℓ_B)⁻⁴(τᵥ/τ_tr)，从而获得非对称散射寿命。
• 通过在 x–y 和 x–z 平面中旋转 B，绘制电流喷流的角度宽度，并检验其对磁场方向的依赖性。
• 测量至 35 T，以探测高场不稳定性及在 Hₖ ∼ 23 T 处负磁阻特征的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过输运测量在狄拉克半金属中实验观测到手征异常？
• RQ2 手征异常是否会产生一种被磁场方向准直与导引的电流喷流？
• RQ3 所观测到的磁阻图案是否唯一地与 E 和 B 的对齐相关，从而将其与常规各向异性输运区分开来？
• RQ4 手征电流中非对称散射的弛豫时间是多少？其与标准输运寿命相比如何？
• RQ5 根据手征异常理论预测，高磁场下电流喷流的角度宽度是否变窄？

主要发现

• 在 Na₃Bi 中观测到一种新颖的、高度各向异性的负磁阻，形成一个狭窄准直的电流喷流，其方向由磁场方向引导。
• 当 E 和 B 共线时，电流喷流达到最大值，其角度依赖性在低场下符合 cos⁴φ 或 cos⁴θ，且在 B > 2 T 时显著变窄。
• 电导增强遵循 B² 依赖关系，证实了手征异常机制的理论预测。
• 非对称散射寿命与输运寿命的比值被测得为 τᵥ/τ_tr ≈ 40–60，表明手征电流衰减具有异常长的弛豫时间。
• 在高场（高达 35 T）下，当 B 沿 y 轴方向时，出现一个新的特征 Hₖ ∼ 23 T，暗示电子态不稳定性，但当 B||x 时轴向电流仍保持稳定。
• 在弱场（B < 1 T）下，负磁阻图案的磁场导向特性与常规费米面各向异性不兼容，为手征异常提供了强有力证据。