3D -Dirac- och Weyl -halvmetallerna kan kännetecknas av en laddningskiralitet med parallell eller antiparallell låsning av elektronspinn i sin fart. Sådana material kan uppvisa en kiral magnetisk effekt associerad med nära bevarande av kiral laddning. I det här arbetet, Bing Cheng och ett forskargrupp i fysik och astronomi vid Johns Hopkins University och materialvetenskap vid University of California, Santa Barbara, använde magneto-terahertz-spektroskopi för att studera epitaxial kadmiumarsenid (Cd ₃ Som ₂ ) filmer-ett allmänt utforskat material inom fastfysik för att extrahera deras konduktiviteter som en funktion av kiral magnetisk effekt. När laget använde fältet, de noterade ett markant skarpt Drude -svar - en mycket hyllad modell för elektronisk transport som föreslogs av fysikern Paul Drude för mer än 100 år sedan. Drude -svaret tog sig ur systemets bredare bakgrund som en definitiv signatur för en ny transportkanal som överensstämmer med det kirala svaret. Fältoberoende för den kirala avslappningen fastställde att den inställdes av den ungefärliga bevarandet av isospinen i installationen.

Kiral anomali

Några av de mest anmärkningsvärda demonstrationerna av topologiska tillstånd av materia härrör från deras svar på elektromagnetiska fält. Till exempel, topologiska isolatorer kännetecknas av en kvantiserad magnetoelektrisk effekt. Weyl semimetal och Dirac Semimetals (WSM och DSM) är tillstånd av materia där lednings- och valensband berör och sprids nästan linjärt kring par av noder i momentumutrymme. Varje nod kan identifieras med sin kiralitet i förhållande till snurrningen av en masslös (linjärt dispergerande) partikel orienterad parallell eller antiparallell med dess momentum. Dirac -system liknar därför två kopior av Weyl -systemen; vid varje nod, det finns två uppsättningar av de linjärt utmatande banden med motsatt kiral laddning. Trots att det är metaller, Weyl -halvmetaller och Dirac -halvmetaller visade distinkta transporteffekter i samband med nästan bevarande av kiral laddning. Den kirala anomalin fanns därför i kvant- och semiklassiska transportgränser. Den kirala laddningen bevaras inte i något verkligt material på grund av kränkningar av kiral symmetri via olinjära banddispersioner. Som ett resultat, den nära bevarandet av kiral laddning är i förhållande till framväxande lågenergisk kiral symmetri. Medan effekten fanns i semiklassiska och kvanttransportregimer, effekten förstods mest väl i kvantgränsen. Den kirala laddningen är inte exakt bevarad och pumpas under verkan av kollinära elektriska och magnetiska fält som kallas chiral anomali. Forskare har observerat en negativ longitudinell magnetoresistans (NLMR) i ett antal Dirac -halvmetall- och Weyl -halvmetalsystem som en följd av den kirala magnetiska effekten, även om NLMR inte orsakas unikt av denna effekt.

En nyckelparameter som styr den kirala anomalin är den kirala avslappningshastigheten. De inneboende egenskaperna hos den kirala anomalin kan mest övertygande kännetecknas av att direkt mäta den kirala avslappningshastigheten och intravalley -avslappningshastigheterna. King et al. använde magneto-terahertz spektroskopi för att studera högkvalitativa epitaxiella tunna filmer av Dirac semimetaller kadmium arsenid (Cd ₃ Som ₂ ). Detta är ett idealiskt material för undersökningar på grund av dess fyrdubbla degenererade Dirac -noder som är skyddade av en C ₄ symmetri. Vanligtvis, den högkvalitativa orienterade Cd ₃ Som ₂ filmer kan odlas med hjälp av molekylär stråle -epitaxy. Genom att utföra frekvensberoende konduktivitetsexperiment, forskarna extraherade både den kirala avslappningshastigheten och intravalley -avslappningstakten direkt. De mätte sedan två Cd ₃ Som ₂ filmer och extraherade sin fältberoende terahertz-konduktivitet med hjälp av två kontaktlösa mätningar för att undvika artefakter som är associerade med de inhomogena strömvägar som tenderar att plåga likströmsexperiment.

Terahertz konduktivitet och kiral transport

Teamet undersökte sedan terahertz konduktivitet vid olika magnetfält och extraherade den dynamiska laddningspumpningen och avslappningen av den kirala anomalin med hjälp av Drude-Lorentz-passningar. De noterade en anmärkningsvärd fältinducerad effekt som resulterade i en förstärkning av endast lågfrekventa konduktiviteten. Dock, detta berodde inte på en förändring av den normala spridningshastigheten eller förändringen i materialets bärartäthet utan förlitade sig på utseendet på en parallell transportkanal med en ny frekvensskala. Effekten var inte heller associerad med spinnberoende spridning, vilket vanligtvis skulle manifestera sig som en övergripande förändring i spridningshastigheten. Utseendet på en ytterligare transportkanal och en ny tidsplan överensstämde exakt med de teoretiska förväntningarna på den kirala anomalin. Kiral transport skedde via en uppbyggnad av den effektiva elektrokemiska potentialen genom balansen mellan kiral pumpning och internodspridning. För att urskilja en steady-state kiral ström, den kirala spridningshastigheten måste vara mindre än intravalley -relaxationshastigheten. I experimenten, Cheng et al. noterade att den kirala spridningshastigheten var ungefär en fjärdedel av intravalley-relaxationshastigheten i båda proverna. Forskarna jämförde denna relativa storlek mot bakgrund av rådande teori och förväntar sig att genomföra ytterligare studier inom detta område i framtiden. Teamet tolkade också de senaste olinjära terahertz -experimenten i förhållande till kiral avslappning som visade en långsam takt på grund av större separation av noder i Weyl semimetallkristallin tantalarsenid (taAs) och/eller bristen på isospinspridning.

Syn

På det här sättet, Bing Cheng och kollegor observerade en avvikande terahertz magnetokonduktivitetseffekt i Dirac semimetal kadmium arsenid. Effekten berodde på den kirala magnetiska effekten. Det observerade beroendet och utvecklingen av den funktionella formen av konduktivitet överensstämde exakt med teorin om kiral anomali. Dock, hastigheterna för kiral spridning och intranodspridning överensstämde inte exakt med den rådande teorin eftersom kiral spridning var mycket starkare än förutspått. Forskarna kommer därför att utveckla mer reviderade modeller med mer realistiska hastigheter av experimentell förorening av spridning i framtiden.

© 2021 Science X Network