De 3D Dirac- en Weyl-halfmetalen kunnen worden gekenmerkt door een ladingschiraliteit met de parallelle of antiparallelle vergrendeling van elektronenspin in zijn momentum. Dergelijke materialen kunnen een chiraal magnetisch effect vertonen dat geassocieerd is met het vrijwel behoud van chirale lading. In dit werk, Bing Cheng en een onderzoeksteam in natuurkunde en astronomie aan de Johns Hopkins University en materiaalkunde aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara, gebruikte magneto-terahertz-spectroscopie om epitaxiaal cadmiumarsenide (Cd ₃ Als ₂ ) films - een veel onderzocht materiaal in de vastestoffysica om hun geleidbaarheid te extraheren als een functie van chiraal magnetisch effect. Toen het team het veld toepaste, ze merkten een opvallend scherpe Drude-reactie op - een veelgeprezen model van elektronisch transport dat meer dan 100 jaar geleden door natuurkundige Paul Drude werd voorgesteld. De Drude-respons kwam voort uit de bredere achtergrond van dit systeem als een definitieve handtekening van een nieuw transportkanaal dat consistent is met de chirale respons. De veldonafhankelijkheid van de chirale relaxatie stelde vast dat deze werd ingesteld door het geschatte behoud van de isospin in de opstelling.

De chirale anomalie

Enkele van de meest opmerkelijke demonstraties van topologische toestanden van materie komen voort uit hun reactie op elektromagnetische velden. Bijvoorbeeld, topologische isolatoren worden gekenmerkt door een gekwantiseerd magneto-elektrisch effect. Weyl-halfmetaal en Dirac-halfmetalen (WSM en DSM) zijn toestanden van materie waarin geleidings- en valentiebanden elkaar bijna lineair raken en verspreiden rond paren knooppunten in de impulsruimte. Elk knooppunt kan worden geïdentificeerd aan de hand van zijn chiraliteit ten opzichte van de spin van een massaloos (lineair verspreidend) deeltje dat parallel of antiparallel aan zijn momentum is georiënteerd. Dirac-systemen zijn daarom vergelijkbaar met twee exemplaren van de Weyl-systemen; bij elke knoop, er zijn twee sets van de lineair afgevende banden met tegengestelde chirale lading. Ondanks dat het metalen zijn, Weyl-halfmetalen en Dirac-halfmetalen vertoonden duidelijke transporteffecten die verband houden met het vrijwel behoud van chirale lading. De chirale anomalie bestond daarom in de kwantum- en semiklassieke transportlimieten. De chirale lading is niet behouden in enig echt materiaal vanwege schendingen van chirale symmetrie via niet-lineaire banddispersies. Als resultaat, de bijna-conservering van chirale lading is relatief ten opzichte van opkomende chirale symmetrie met lage energie. Hoewel het effect bestond in semiklassieke en kwantumtransportregimes, het effect werd het best begrepen in de kwantumlimiet. De chirale lading is niet precies geconserveerd en wordt gepompt onder invloed van collineaire elektrische en magnetische velden die de chirale anomalie worden genoemd. Wetenschappers hebben een negatieve longitudinale magnetoweerstand (NLMR) waargenomen in een aantal Dirac-halfmetaal- en Weyl-halfmetaalsystemen als gevolg van het chirale magnetische effect, hoewel NLMR niet alleen door dit effect wordt veroorzaakt.

Een belangrijke parameter die de chirale anomalie regelt, is de chirale relaxatiesnelheid. De intrinsieke eigenschappen van de chirale anomalie kunnen het meest overtuigend worden gekarakteriseerd door direct de chirale relaxatiesnelheid en intravalley-relaxatiesnelheden te meten. Koning et al. gebruikte magneto-terahertz-spectroscopie om de hoogwaardige epitaxiale dunne films van Dirac-semimetalen cadmiumarsenide (Cd ₃ Als ₂ ). Dit is een ideaal materiaal voor onderzoek vanwege de viervoudige gedegenereerde Dirac-knooppunten die worden beschermd door een C ₄ symmetrie. Typisch, de hoogwaardige georiënteerde Cd ₃ Als ₂ films kunnen worden gekweekt met behulp van moleculaire bundelepitaxie. Door frequentieafhankelijke geleidbaarheidsexperimenten uit te voeren, de wetenschappers hebben zowel de chirale relaxatiesnelheid als de intravalley-relaxatiesnelheid rechtstreeks geëxtraheerd. Ze maten toen twee Cd ₃ Als ₂ films en hun veldafhankelijke terahertz-geleidbaarheid geëxtraheerd met behulp van twee contactloze metingen om artefacten te voorkomen die verband houden met de inhomogene stroompaden die de neiging hebben om gelijkstroomexperimenten te plagen.

Terahertz geleidbaarheid en chiraal transport

Het team onderzocht vervolgens de geleidbaarheid van terahertz bij verschillende magnetische velden en extraheerde de dynamische ladingspomping en relaxatie van de chirale anomalie met behulp van Drude-Lorentz-fits. Ze merkten een opmerkelijk veldgeïnduceerd effect op dat resulteerde in een verbetering van alleen de laagfrequente geleidbaarheid. Echter, dit was niet het gevolg van een verandering in de normale verstrooiingssnelheid of verandering in de dragerdichtheid van het materiaal, maar berustte op het verschijnen van een parallel transportkanaal met een nieuwe frequentieschaal. Het effect was ook niet geassocieerd met spinafhankelijke verstrooiing, die zich gewoonlijk zou manifesteren als een algemene verandering in de verstrooiingssnelheid. Het verschijnen van een extra transportkanaal en een nieuwe tijdschaal was precies in overeenstemming met de theoretische verwachtingen voor de chirale anomalie. Chiraal transport vond plaats via een opbouw van de effectieve elektrochemische potentiaal door de balans tussen chiraal pompen en internodeverstrooiing. Om een ​​stabiele chirale stroom te onderscheiden, de chirale verstrooiingssnelheid moest kleiner zijn dan de intravalley-relaxatiesnelheid. In de experimenten, Chen et al. merkte op dat de chirale verstrooiingssnelheid in beide monsters ongeveer een vierde van de intravalley-relaxatiesnelheid was. De wetenschappers vergeleken deze relatieve omvang in het licht van de heersende theorie en verwachten in de toekomst verdere studies op dit gebied uit te voeren. Het team interpreteerde ook de recente niet-lineaire terahertz-experimenten met betrekking tot chirale relaxatie die een langzame snelheid vertoonden als gevolg van grotere scheiding van knooppunten in het Weyl semi-metaal kristallijn tantaalarsenide (taAs) en/of het ontbreken van isospinverstrooiing.

Outlook

Op deze manier, Bing Cheng en collega's observeerden een abnormaal terahertz magnetogeleidingseffect in het Dirac semimetaal cadmiumarsenide. Het effect hing af van het chirale magnetische effect. De waargenomen afhankelijkheid en evolutie van de functionele vorm van geleidbaarheid was precies in overeenstemming met de theorie van chirale anomalie. Echter, de snelheden van chirale verstrooiing en intranodeverstrooiing waren niet precies in overeenstemming met de heersende theorie, aangezien chirale verstrooiing veel sterker was dan voorspeld. De onderzoekers zullen daarom in de toekomst meer herziene modellen ontwikkelen met meer realistische snelheden van experimentele onzuiverheidsverstrooiing.

© 2021 Science X Network