Les semi-métaux 3D Dirac et Weyl peuvent être caractérisés par une chiralité de charge avec le verrouillage parallèle ou antiparallèle du spin électronique dans son impulsion. De tels matériaux peuvent présenter un effet magnétique chiral associé à la quasi-conservation de la charge chirale. Dans ce travail, Bing Cheng et une équipe de recherche en physique et astronomie à l'Université Johns Hopkins et en science des matériaux à l'Université de Californie, Santa Barbara, utilisé la spectroscopie magnéto-térahertz pour étudier l'arséniure de cadmium épitaxié (Cd 3 Comme 2 ) films - un matériau largement exploré en physique du solide pour extraire leurs conductivités en fonction de l'effet magnétique chiral . Lorsque l'équipe a appliqué le champ, ils ont noté une réponse Drude très nette - un modèle de transport électronique hautement acclamé suggéré par le physicien Paul Drude il y a plus de 100 ans. La réponse Drude est née du contexte plus large de ce système en tant que signature définitive d'un nouveau canal de transport compatible avec la réponse chirale. L'indépendance du champ de la relaxation chirale a établi qu'elle était définie par la conservation approximative de l'isospin dans la configuration.

L'anomalie chirale

Certaines des démonstrations les plus remarquables d'états topologiques de la matière découlent de leur réponse aux champs électromagnétiques. Par exemple, les isolants topologiques sont caractérisés par un effet magnétoélectrique quantifié. Les semi-métaux de Weyl et les semi-métaux de Dirac (WSM et DSM) sont des états de la matière dans lesquels les bandes de conduction et de valence se touchent et se dispersent de manière quasi-linéaire autour de paires de nœuds dans l'espace de quantité de mouvement. Chaque nœud peut être identifié par sa chiralité par rapport au spin d'une particule sans masse (dispersant linéairement) orientée parallèlement ou antiparallèlement à sa quantité de mouvement. Les systèmes de Dirac sont donc similaires à deux copies des systèmes de Weyl; à chaque nœud, il y a deux ensembles de bandes à distribution linéaire avec une charge chirale opposée. Bien qu'étant des métaux, Les semi-métaux de Weyl et les semi-métaux de Dirac ont montré des effets de transport distincts associés à la quasi-conservation de la charge chirale. L'anomalie chirale existait donc dans les limites de transport quantique et semi-classique. La charge chirale n'est conservée dans aucun matériau réel en raison de violations de la symétrie chirale via des dispersions de bandes non linéaires. Par conséquent, la quasi-conservation de la charge chirale est relative à la symétrie chirale émergente de basse énergie. Alors que l'effet existait dans les régimes de transport semi-classique et quantique, l'effet était mieux compris dans la limite quantique. La charge chirale n'est pas précisément conservée et est pompée sous l'action de champs électriques et magnétiques colinéaires appelés anomalie chirale. Les scientifiques ont observé une magnétorésistance longitudinale négative (NLMR) dans un certain nombre de systèmes semi-métalliques Dirac et semi-métalliques Weyl en raison de l'effet magnétique chiral, bien que le NLMR ne soit pas uniquement causé par cet effet.

Un paramètre clé régissant l'anomalie chirale est le taux de relaxation chirale. Les propriétés intrinsèques de l'anomalie chirale peuvent être caractérisées de la manière la plus convaincante en mesurant directement le taux de relaxation chirale et les taux de relaxation intravallée. Roi et al. utilisé la spectroscopie magnéto-térahertz pour étudier les couches minces épitaxiales de haute qualité d'arséniure de cadmium semi-métaux de Dirac (Cd 3 Comme 2 ). C'est un matériau idéal pour les investigations grâce à ses quadruples nœuds de Dirac dégénérés qui sont protégés par un C 4 symétrie. Typiquement, le cd orienté haute qualité 3 Comme 2 les films peuvent être cultivés par épitaxie par faisceau moléculaire. En réalisant des expériences de conductivité dépendantes de la fréquence, les scientifiques ont extrait directement à la fois le taux de relaxation chirale et les taux de relaxation intravallée. Ils ont ensuite mesuré deux Cd 3 Comme 2 films et extrait leur conductivité térahertz dépendant du champ à l'aide de deux mesures sans contact pour éviter tout artefact associé aux chemins de courant non homogènes qui ont tendance à nuire aux expériences de courant continu.

Conductivité térahertz et transport chiral

L'équipe a ensuite étudié la conductivité térahertz à différents champs magnétiques et extrait le pompage de charge dynamique et la relaxation de l'anomalie chirale à l'aide d'ajustements Drude-Lorentz. Ils ont noté un effet induit par le champ remarquable entraînant une amélioration de la seule conductivité à basse fréquence. Cependant, cela ne résultait pas d'un changement du taux de diffusion normal ou d'un changement de la densité de porteurs du matériau mais reposait sur l'apparition d'un canal de transport parallèle avec une nouvelle échelle de fréquence. L'effet n'était pas non plus associé à la diffusion dépendante du spin, qui se manifesterait généralement par un changement global du taux de diffusion. L'apparition d'un canal de transport supplémentaire et d'une nouvelle échelle de temps était précisément en accord avec les attentes théoriques pour l'anomalie chirale. Le transport chiral s'est produit via une accumulation du potentiel électrochimique effectif à travers l'équilibre entre le pompage chiral et la diffusion entre les nœuds. Pour distinguer un courant chiral permanent, le taux de diffusion chirale devait être inférieur au taux de relaxation intravallée. Dans les expériences, Cheng et al. ont noté que le taux de diffusion chirale était d'environ un quart du taux de relaxation intravallée dans les deux échantillons. Les scientifiques ont comparé cette taille relative à la lumière de la théorie dominante et prévoient de mener d'autres études dans ce domaine à l'avenir. L'équipe a également interprété les récentes expériences térahertz non linéaires relatives à la relaxation chirale qui ont montré une vitesse lente en raison d'une plus grande séparation des nœuds dans l'arséniure de tantale cristallin semi-métallique de Weyl (taAs) et/ou du manque de diffusion isospin.

Perspectives

De cette façon, Bing Cheng et ses collègues ont observé un effet de magnétoconductivité térahertz anormal dans l'arséniure de cadmium semi-métal de Dirac. L'effet dépendait de l'effet magnétique chiral. La dépendance et l'évolution observées de la forme fonctionnelle de la conductivité étaient en accord précis avec la théorie de l'anomalie chirale. Cependant, les taux de diffusion chirale et de diffusion intranode n'étaient pas précisément en accord avec la théorie dominante puisque la diffusion chirale était beaucoup plus forte que prévu. Les chercheurs développeront donc des modèles plus révisés avec des taux plus réalistes de diffusion expérimentale des impuretés à l'avenir.

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