[论文解读] Thermal chiral anomaly in the magnetic-field induced ideal Weyl phase of Bi89Sb11

Dung Vu, Wenjuan Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究在Bi89Sb11中于Zeeman场下观测到热手性异常，其中化学势被钉扎在外尔点，且不存在平凡费米口袋。通过施加平行于热梯度的磁场，发现在60 K以上时热导率显著增强，且该增强符合Wiedemann-Franz定律，证实了热手性异常的存在，且不受外部电流路径的干扰。

ABSTRACT

The chiral anomaly is the predicted break down of chiral symmetry in a Weyl semimetal with monopoles of opposite chirality when an electric field parallel to a magnetic field is applied. It occurs because of charge pumping from a positive chirality to a negative chirality monopole. Experimental observation of this fundamental effect has been plagued by concerns about the pathways of the current. Here, we unambiguously demonstrate the thermal analog of the chiral anomaly in topological insulator bismuth-antimony alloys driven into an ideal Weyl semimetal state by a Zeeman field, with the chemical potential pinned at the Weyl points, and in which the Fermi surface has no trivial pockets. The experimental signature is a large enhancement of the thermal conductivity in an applied magnetic field parallel to the thermal gradient that follows the Wiedemann-Franz law above 60 K. Absence of current flow avoids extrinsic effects that plague electrical measurements.

研究动机与目标

• 在拓扑外尔半金属相中明确观测到热手性异常。
• 消除先前对手性异常的电学测量中因电流传导路径引起的非本征效应。
• 证明当化学势被钉扎在外尔点时，手性异常在热输运中得以显现。
• 确认热响应符合Wiedemann-Franz定律，从而验证该效应的拓扑本质。
• 建立一个无平凡费米口袋的清洁平台，利用Bi89Sb11研究手性异常。

提出的方法

• 通过Zeeman场将Bi89Sb11驱动至理想的外尔半金属态，以诱导手性单极子。
• 将化学势钉扎在外尔点，以确保拓扑保护并消除平凡贡献。
• 施加平行于热梯度的磁场，以在热输运中诱导手性异常。
• 在不同磁场和温度下测量热导率，以探测异常行为。
• 利用Wiedemann-Franz定律作为一致性检验，确认所观测到的增强是手性异常的本征效应。
• 比较60 K以上Wiedemann-Franz定律成立时的结果，以验证热响应的拓扑起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在无平凡费米口袋污染的情况下，在拓扑外尔半金属中观测到热手性异常？
• RQ2 施加平行于热梯度的磁场是否会导致热导率的可测量增强？
• RQ3 所观测到的增强是否与Wiedemann-Franz定律一致，表明存在拓扑保护的输运机制？
• RQ4 是否可通过消除电流传导，将手性异常在热输运中孤立出来？
• RQ5 Bi89Sb11的理想外尔相中，热导率增强的温度依赖性如何？

主要发现

• 在Bi89Sb11中，当施加平行于热梯度的磁场时，观测到热导率显著增强。
• 该增强在60 K以上符合Wiedemann-Franz定律，证实了该效应的拓扑起源。
• 化学势被钉扎在外尔点，消除了平凡费米口袋的贡献。
• 由于无电流传导，避免了先前电学测量中困扰的非本征效应。
• 所观测到的热响应被确认为清洁拓扑系统中外尔异常的热类比。
• 结果为Zeeman场诱导的理想外尔半金属中热手性异常的存在提供了明确证据。