[论文解读] Tunable optical activity due to the chiral anomaly in Weyl semimetals

Pavan Hosur, Xiao-Liang Qi|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用 2

一句话总结

本文提出通过测量由具有非零 E⋅B 的电磁场诱导的非零旋光系数或类似霍尔的电导率，利用圆二色性来探测外尔半金属中的手性异常。该方法可区分外尔与狄拉克半金属，因为后者不表现出此类响应，从而提供了一种直接的光学探测手段，用于观测通过手性异常实现的拓扑手性电荷泵浦。

ABSTRACT

Weyl semimetals are a three dimensional gapless topological phase in which bands intersect at arbitrary points -- the Weyl nodes -- in the Brillouin zone. These points carry a topological quantum number known as the \emph{chirality} and always appear in pairs of opposite chiralities. The notion of chirality leads to anomalous non-conservation of chiral charge, known as the \emph{chiral anomaly}, according to which charge can be pumped between Weyl nodes of opposite chiralities by an electromagnetic field with non-zero $\boldsymbol{E}\cdot\boldsymbol{B}$. Here, we propose probing the chiral anomaly by measuring the optical activity of Weyl semimetals via circular dichroism. In particular, we observe that applying such an electromagnetic field on this state gives it a non-zero gyrotropic coefficient or a Hall-like conductivity, which may be detectable by routine circular dichroism experiments. This method also serves as a diagnostic tool to discriminate between Weyl and Dirac semimetals; the latter will give a null result. More generally, any experiment that probes a bulk correlation function that has the same symmetries as the gyrotropic coefficient can detect the chiral anomaly as well as differentiate between Dirac and Weyl semimetals.

研究动机与目标

• 开发一种用于探测外尔半金属中手性异常的光学方法，该现象与手性电荷不守恒相关。
• 利用对拓扑手性敏感的体光学响应，区分外尔半金属与狄拉克半金属。
• 证明在 E⋅B 场作用下，手性异常表现为可测量的旋光系数或类似霍尔的电导率。
• 提供一种基于与旋光系数相同对称性的体关联函数的诊断工具。

提出的方法

• 对具有非零 E⋅B 的电磁场作用下外尔半金属的光学响应进行理论分析。
• 从外尔节点的有效哈密顿量出发，推导手性异常存在时的旋光系数。
• 使用圆二色性作为实验探针，测量外尔半金属中非零旋光响应。
• 比较外尔与狄拉克半金属的光学响应，显示后者因缺乏手性异常而结果为零。
• 识别出与旋光系数具有相同对称性的体关联函数，作为手性异常的敏感指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过测量圆二色性的光学手段探测外尔半金属中的手性异常？
• RQ2 非零 E⋅B 场是否会在外尔半金属中诱导出可测量的旋光系数？
• RQ3 在外尔半金属与狄拉克半金属处于相同电磁条件时，其光学响应有何不同？
• RQ4 具有与旋光系数相同对称性的体关联函数能否作为手性异常的指示器？

主要发现

• 施加具有非零 E⋅B 的电磁场会在外尔半金属中诱导出非零旋光系数，可通过圆二色性检测。
• 手性异常导致光学响应中出现类似霍尔的电导率，而狄拉克半金属中则不存在该效应。
• 该方法在实验上能清晰区分外尔与狄拉克半金属，因为后者在相同条件下表现出零光学响应。
• 任何探测与旋光系数具有相同对称性的体关联函数的实验，均可用于检测手性异常。