I semimetalli 3D Dirac e Weyl possono essere caratterizzati da una chiralità di carica con il bloccaggio parallelo o antiparallelo dello spin dell'elettrone nel suo momento. Tali materiali possono esibire un effetto magnetico chirale associato alla quasi conservazione della carica chirale. In questo lavoro, Bing Cheng e un gruppo di ricerca in fisica e astronomia presso la Johns Hopkins University e scienza dei materiali presso l'Università della California, Santa Barbara, utilizzato la spettroscopia magneto-terahertz per studiare l'arseniuro di cadmio epitassiale (Cd ₃ Come ₂ ) film:un materiale ampiamente esplorato nella fisica dello stato solido per estrarne la conduttività in funzione dell'effetto magnetico chirale. Quando la squadra ha applicato il campo, hanno notato una risposta Drude marcatamente acuta - un modello molto acclamato di trasporto elettronico suggerito dal fisico Paul Drude più di 100 anni fa. La risposta Drude è emersa dallo sfondo più ampio di questo sistema come una firma definitiva di un nuovo canale di trasporto coerente con la risposta chirale. L'indipendenza dal campo del rilassamento chirale ha stabilito che è stato fissato dalla conservazione approssimativa dell'isospin nel setup.

L'anomalia chirale

Alcune delle più notevoli dimostrazioni di stati topologici della materia derivano dalla loro risposta ai campi elettromagnetici. Ad esempio, gli isolanti topologici sono caratterizzati da un effetto magnetoelettrico quantizzato. Il semimetallo di Weyl e i semimetalli di Dirac (WSM e DSM) sono stati della materia in cui le bande di conduzione e di valenza si toccano e si disperdono in modo quasi lineare attorno a coppie di nodi nello spazio del momento. Ogni nodo può essere identificato dalla sua chiralità relativa allo spin di una particella senza massa (disperdente linearmente) orientata parallelamente o antiparallela al suo momento. I sistemi Dirac sono quindi simili a due copie dei sistemi Weyl; ad ogni nodo, ci sono due serie di bande di erogazione linearmente con carica chirale opposta. Pur essendo metalli, I semimetalli Weyl e i semimetalli Dirac hanno mostrato effetti di trasporto distinti associati alla quasi conservazione della carica chirale. L'anomalia chirale esisteva quindi nei limiti di trasporto quantistico e semiclassico. La carica chirale non è conservata in nessun materiale reale a causa di violazioni della simmetria chirale tramite dispersioni di bande non lineari. Di conseguenza, la quasi conservazione della carica chirale è relativa alla simmetria chirale emergente a bassa energia. Mentre l'effetto esisteva nei regimi di trasporto semiclassico e quantistico, l'effetto era meglio compreso nel limite quantistico. La carica chirale non è conservata con precisione ed è pompata sotto l'azione di campi elettrici e magnetici collineari indicati come anomalia chirale. Gli scienziati hanno osservato una magnetoresistenza longitudinale negativa (NLMR) in un certo numero di sistemi semimetallici Dirac e semimetallici Weyl come conseguenza dell'effetto magnetico chirale, sebbene NLMR non sia causato unicamente da questo effetto.

Un parametro chiave che governa l'anomalia chirale è il tasso di rilassamento chirale. Le proprietà intrinseche dell'anomalia chirale possono essere caratterizzate in modo più convincente misurando direttamente il tasso di rilassamento chirale e i tassi di rilassamento intravalle. Re et al. utilizzato la spettroscopia magneto-terahertz per studiare i film sottili epitassiali di alta qualità di semimetalli Dirac arseniuro di cadmio (Cd ₃ Come ₂ ). Questo è un materiale ideale per le indagini grazie ai suoi nodi di Dirac quadrupli degeneri che sono protetti da un C ₄ simmetria. Tipicamente, il Cd . orientato all'alta qualità ₃ Come ₂ i film possono essere coltivati ​​utilizzando l'epitassia a fascio molecolare. Eseguendo esperimenti di conducibilità dipendente dalla frequenza, gli scienziati hanno estratto direttamente sia il tasso di rilassamento chirale che i tassi di rilassamento intravalle. Hanno quindi misurato due Cd ₃ Come ₂ film ed estratto la loro conduttività terahertz dipendente dal campo utilizzando due misurazioni senza contatto per evitare eventuali artefatti associati ai percorsi di corrente disomogenei che tendono ad affliggere gli esperimenti in corrente continua.

Conducibilità terahertz e trasporto chirale

Il team ha quindi studiato la conduttività terahertz in diversi campi magnetici e ha estratto il pompaggio dinamico della carica e il rilassamento dell'anomalia chirale utilizzando i fit di Drude-Lorentz. Hanno notato un notevole effetto indotto dal campo che si traduce in un miglioramento della sola conduttività a bassa frequenza. Però, ciò non derivava da un cambiamento nella normale velocità di dispersione o da un cambiamento nella densità di portante del materiale, ma si basava sull'aspetto di un canale di trasporto parallelo con una nuova scala di frequenza. L'effetto non è stato inoltre associato allo scattering dipendente dallo spin, che di solito si manifesta come un cambiamento complessivo nel tasso di dispersione. La comparsa di un canale di trasporto aggiuntivo e di una nuova tempistica era esattamente in accordo con le aspettative teoriche per l'anomalia chirale. Il trasporto chirale è avvenuto attraverso un accumulo del potenziale elettrochimico effettivo attraverso l'equilibrio tra pompaggio chirale e dispersione internodo. Per distinguere una corrente chirale in regime stazionario, il tasso di scattering chirale doveva essere inferiore al tasso di rilassamento intravalle. Negli esperimenti, Cheng et al. notato che il tasso di dispersione chirale è circa un quarto del tasso di rilassamento intravalle in entrambi i campioni. Gli scienziati hanno confrontato questa dimensione relativa alla luce della teoria prevalente e si aspettano di condurre ulteriori studi in questo settore in futuro. Il team ha anche interpretato i recenti esperimenti sui terahertz non lineari relativi al rilassamento chirale che hanno mostrato una velocità lenta a causa della maggiore separazione dei nodi nell'arseniuro di tantalio cristallino semimetallico Weyl (taAs) e/o della mancanza di dispersione dell'isospin.

Veduta

In questo modo, Bing Cheng e colleghi hanno osservato un effetto di magnetoconduttività terahertz anomalo nell'arseniuro di cadmio semimetallico di Dirac. L'effetto dipendeva dall'effetto magnetico chirale. La dipendenza e l'evoluzione osservate della forma funzionale della conduttività erano in preciso accordo con la teoria dell'anomalia chirale. Però, i tassi di scattering chirale e intranodo non erano esattamente in accordo con la teoria prevalente poiché lo scattering chirale era molto più forte del previsto. I ricercatori svilupperanno quindi modelli più rivisti con tassi più realistici di dispersione sperimentale delle impurità in futuro.

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