[论文解读] The chiral anomaly in Weyl semimetals is not robust

Pilkwang Kim, Ji Hoon Ryoo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文通过从头计算表明，在强磁场下，由于手性相反的外尔点的零级 Landau 能级发生磁场依赖的混合，手征异常失效，从而打开显著的能量能隙，挑战了外尔半金属中手征异常的普遍接受观点。这否定了手征电荷不守恒的标准图像，并要求为输运、热电以及集体激发现象建立新的理论框架。

ABSTRACT

The low-energy quasiparticles of Weyl semimetals are a condensed-matter realization of the Weyl fermions introduced in relativistic field theory. Chiral anomaly, the nonconservation of the chiral charge under parallel electric and magnetic fields, is arguably the most important phenomenon of Weyl semimetals and has been explained as an imbalance between the occupancies of the gapless, zeroth Landau levels with opposite chiralities. This widely accepted picture has served as the basis for subsequent studies. Here we report the breakdown of the chiral anomaly in Weyl semimetals in a strong magnetic field based on ab initio calculations. A sizable energy gap that depends sensitively on the direction of the magnetic field may open up due to the mixing of the zeroth Landau levels associated with the opposite-chirality Weyl points that are away from each other in the Brillouin zone. Our study provides a theoretical framework for understanding a wide range of phenomena closely related to the chiral anomaly in topological semimetals, such as magnetotransport, thermoelectric responses, and plasmons, to name a few.

研究动机与目标

• 重新审视强磁场下外尔半金属中手征异常的鲁棒性。
• 研究外尔点间耦合在改变低能 Landau 能级谱中的作用。
• 通过相反手性零级 Landau 能级占据不平衡，挑战手征电荷不守恒的传统理解。
• 在手征异常范式之外，为外尔半金属中的拓扑响应发展新的理论框架。

提出的方法

• 执行从头计算电子结构计算，以模拟强磁场下外尔半金属的完整能带结构。
• 聚焦于相反手性外尔点的零级 Landau 能级，分析 Landau 能级谱。
• 计算零级 Landau 能级之间的能量分裂随磁场方向的变化。
• 评估由于动量空间中有限分离而引起的相反手性 Landau 能级之间的混合程度。
• 利用对称性和能带拓扑评估手征异常在微扰下的稳定性。
• 推导包含磁场下外尔点间耦合的有效哈密顿量，以模拟能隙打开。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强磁场下，外尔半金属中的手征异常是否仍然有效？
• RQ2 外尔点在动量空间中的分离在改变 Landau 能级杂化方面起什么作用？
• RQ3 磁场方向如何影响 Landau 能级谱中能隙的打开？
• RQ4 外尔点间耦合在多大程度上使基于手征电荷不守恒的标准手征异常图像失效？
• RQ5 所观察到的能隙形成能否通过一个包含手性间 Landau 能级混合的最小有效模型来捕捉？

主要发现

• 在外尔半金属中，由于相反手性外尔点的零级 Landau 能级显著混合，手征异常在强磁场下失效。
• Landau 能级谱中打开一个显著的能量能隙，其对磁场方向极为敏感。
• 该能隙源于外尔点在动量空间中的有限分离，并由磁场下的外尔点间耦合驱动。
• 在强场下，基于相反手性零级 Landau 能级占据不均的手征电荷不守恒标准图像不再成立。
• 研究结果要求对拓扑半金属中磁致输运、热电效应和等离子体模式的理论模型进行重新评估。
• 本研究建立了一个新理论框架，可解释 Landau 能级谱中磁场方向依赖的能隙形成。