Forståelse af ladningspumpning og afslapning af den chirale anomali i en Dirac semimetal

3D Dirac- og Weyl-halvmetallerne kan karakteriseres ved en ladningskiralitet med parallel eller antiparallel låsning af elektronspin i dets momentum. Sådanne materialer kan udvise en chiral magnetisk effekt forbundet med den nære bevarelse af chiral ladning. I dette arbejde, Bing Cheng og et forskerhold i fysik og astronomi ved Johns Hopkins University og materialevidenskab ved University of California, Santa Barbara, brugte magneto-terahertz spektroskopi til at studere epitaksialt cadmiumarsenid (Cd ₃ Som ₂ ) film - et meget udforsket materiale i faststoffysik for at udtrække deres ledningsevner som en funktion af chiral magnetisk effekt. Da holdet anvendte feltet, de bemærkede en markant skarp Drude-respons - en meget rost model for elektronisk transport foreslået af fysikeren Paul Drude for mere end 100 år siden. Drude-svaret steg ud af den bredere baggrund af dette system som en endegyldig signatur af en ny transportkanal i overensstemmelse med den chirale respons. Feltuafhængigheden af ​​den chirale afslapning fastslog, at den blev fastsat af den omtrentlige bevarelse af isospinet i opsætningen.

Den chirale anomali

Nogle af de mest bemærkelsesværdige demonstrationer af topologiske tilstande af stof stammer fra deres reaktion på elektromagnetiske felter. For eksempel, topologiske isolatorer er karakteriseret ved en kvantiseret magnetoelektrisk effekt. Weyl semimetal og Dirac Semimetals (WSM og DSM) er stoftilstande, hvor lednings- og valensbånd berører og spreder sig næsten lineært omkring par af noder i momentumrummet. Hver knude kan identificeres ved sin chiralitet i forhold til spindet af en masseløs (lineært dispergerende) partikel orienteret parallelt eller antiparallelt med dens momentum. Dirac-systemer ligner derfor to kopier af Weyl-systemerne; ved hver knude, der er to sæt lineært dispenserende bånd med modsat chiral ladning. På trods af at de er metaller, Weyl-halvmetaller og Dirac-halvmetaller viste tydelige transporteffekter forbundet med den nære bevarelse af chiral ladning. Den chirale anomali eksisterede derfor i de kvante- og semiklassiske transportgrænser. Den chirale ladning er ikke bevaret i noget virkeligt materiale på grund af krænkelser af chiral symmetri via ikke-lineære båndspredninger. Som resultat, den nære bevarelse af chiral ladning er i forhold til emergent lavenergi chiral symmetri. Mens effekten eksisterede i semiklassiske og kvantetransportregimer, effekten var bedst forstået i kvantegrænsen. Den chirale ladning er ikke nøjagtigt bevaret og pumpes under påvirkning af kollineære elektriske og magnetiske felter, kaldet den chirale anomali. Forskere har observeret en negativ longitudinel magnetoresistens (NLMR) i en række Dirac semimetalliske og Weyl semimetale systemer som følge af den chirale magnetiske effekt, selvom NLMR ikke entydigt er forårsaget af denne effekt.

En nøgleparameter, der styrer den chirale anomali, er den chirale afslapningshastighed. De iboende egenskaber af den chirale anomali kan karakteriseres mest overbevisende ved direkte at måle den chirale afslapningshastighed og intradalen afslapningshastigheder. King et al. brugte magneto-terahertz-spektroskopi til at studere epitaksiale tynde film af høj kvalitet af Dirac-halvmetaller cadmiumarsenid (Cd ₃ Som ₂ ). Dette er et ideelt materiale til undersøgelser på grund af dets firdobbelte degenererede Dirac-knuder, der er beskyttet af et C ₄ symmetri. Typisk, den højkvalitetsorienterede cd ₃ Som ₂ film kan dyrkes ved hjælp af molekylær stråleepitaksi. Ved at udføre frekvensafhængige konduktivitetseksperimenter, forskerne udtog både den chirale afslapningshastighed og afslapningshastigheden i dalen direkte. De målte så to Cd ₃ Som ₂ film og ekstraheret deres feltafhængige terahertz-ledningsevne ved hjælp af to kontaktløse målinger for at undgå eventuelle artefakter forbundet med de inhomogene strømbaner, der har tendens til at plage jævnstrømseksperimenter.

Terahertz ledningsevne og chiral transport

Holdet undersøgte derefter terahertz-ledningsevne ved forskellige magnetfelter og udtog den dynamiske ladningspumpning og afslapning af den chirale anomali ved hjælp af Drude-Lorentz-pasninger. De bemærkede en bemærkelsesværdig felt-induceret effekt, der resulterede i en forbedring af kun den lavfrekvente ledningsevne. Imidlertid, dette skyldtes ikke en ændring i den normale spredningshastighed eller ændring i materialets bærertæthed, men beroede på udseendet af en parallel transportkanal med en ny frekvensskala. Effekten var heller ikke forbundet med spin-afhængig spredning, hvilket normalt vil vise sig som en samlet ændring i spredningshastigheden. Fremkomsten af ​​en ekstra transportkanal og ny tidsskala var netop i overensstemmelse med de teoretiske forventninger til den chirale anomali. Chiral transport forekom via en opbygning af det effektive elektrokemiske potentiale gennem balancen mellem chiral pumpning og internodespredning. For at skelne en steady-state chiral strøm, den chirale spredningshastighed skulle være mindre end afslapningshastigheden i dalen. I forsøgene, Cheng et al. bemærkede, at den chirale spredningshastighed var ca. en fjerdedel af afslapningshastigheden i dalen i begge prøver. Forskerne sammenlignede denne relative størrelse i lyset af den fremherskende teori og forventer at udføre yderligere undersøgelser på dette område i fremtiden. Holdet fortolkede også de seneste ikke-lineære terahertz-eksperimenter i forhold til chiral afslapning, der viste en langsom hastighed på grund af større adskillelse af noder i Weyl semimetallisk krystallinsk tantalarsenid (taAs) og/eller manglen på isospin-spredning.

Outlook

På denne måde Bing Cheng og kolleger observerede en unormal terahertz-magnetokonduktivitetseffekt i Dirac-semimetallet cadmiumarsenid. Effekten afhang af den chirale magnetiske effekt. Den observerede afhængighed og udvikling af den funktionelle form for ledningsevne var i nøjagtig overensstemmelse med teorien om chiral anomali. Imidlertid, hastighederne for chiral spredning og intranode spredning var ikke nøjagtigt i overensstemmelse med den fremherskende teori, da chiral spredning var meget stærkere end forudsagt. Forskerne vil derfor udvikle flere reviderede modeller med mere realistiske hastigheder for eksperimentel urenhedsspredning i fremtiden.

© 2021 Science X Network