[论文解读] Strain in Weyl semimetals. A continuum approach

Vicente Arjona, María A. H. Vozmediano|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出了一种连续场论方法来描述外尔半金属中的应变，揭示了形变梯度张量的反对称部分——此前在二维狄拉克材料中缺失——导致了新型电子-声子耦合。这些包括新的弹性规范场、能带锥倾斜以及赝-Zeeman效应，从根本上改变了传统形变势理论之外的低能电子响应。

ABSTRACT

The coupling of lattice deformations to the low energy electronic excitations of Dirac matter involve novel types of electron--phonon couplings as the celebrated elastic gauge fields first analyzed in graphene. In the continuum low energy approach, lattice deformations coupling to the electronic degrees of freedom are characterized by the (symmetric) strain tensor defined in elasticity theory. We review these couplings in Weyl semimetals and examine the coupling of electronic excitations to the antisymmetric part of the deformation gradient tensor associated to rotational strain. The new couplings, absent in the two dimensional materials, have important physical implications: they give rise to new elastic gauge fields, contribute to the deformation potential, tilt the cones and generate new pseudo--Zeeman couplings.

研究动机与目标

• 将狄拉克和外尔半金属中应变的连续描述扩展至对称应变张量之外。
• 识别并表征三维外尔半金属中形变梯度张量反对称部分所引起的物理效应。
• 阐明旋转应变——此前在二维系统中无关紧要——如何生成新的电子耦合并改变能带结构。
• 阐明弹性规范场和赝-Zeeman项在应变下低能有效哈密顿量中的作用。

提出的方法

• 利用晶格哈密顿式的连续极限，结合弹性理论中的应变张量，发展形式理论。
• 将形变梯度张量分解为对称部分（应变）和反对称部分（旋转），后者被处理为规范场。
• 推导出包含对称与反对称应变分量耦合的有效低能哈密顿量。
• 分析应变下的电子能谱，以识别能带锥倾斜和新型赝自旋轨道耦合。
• 应用对称性与规范不变性原理，对新耦合进行分类，并将其与传统形变势效应区分开来。
• 使用连续场论推导理论预测，无需依赖微观晶格细节。

实验结果

研究问题

• RQ1 形变梯度张量的反对称部分如何影响外尔半金属中的电子激发？
• RQ2 在三维狄拉克和外尔系统中，旋转应变如何产生新的弹性规范场？
• RQ3 应变诱导的能带锥倾斜如何改变外尔半金属的电子能带结构？
• RQ4 这些新耦合以何种方式超越标准标量项，对形变势产生贡献？
• RQ5 应变外尔半金属中赝-Zeeman耦合的起源及其物理意义是什么？

主要发现

• 形变梯度张量的反对称部分生成了在二维狄拉克材料（如石墨烯）中不存在的新弹性规范场。
• 旋转应变诱导了一种新型赝-Zeeman耦合，可打破外尔半金属电子谱中的自旋简并度。
• 应变导致外尔锥发生倾斜，改变费米速度，并在低能理论中破坏洛伦兹对称性。
• 新耦合对形变势有贡献，从而改变电子态对机械应力的响应。
• 这些效应源于外尔费米子的内在手性，在具有时间反演对称性的体系中不存在。
• 连续方法揭示，旋转应变通过一种类似规范的相互作用耦合到电子自由度，与标量应变有本质区别。