Os semimetais 3D Dirac e Weyl podem ser caracterizados por uma quiralidade de carga com o bloqueio paralelo ou antiparalelo do spin do elétron em seu momento. Esses materiais podem exibir um efeito magnético quiral associado à quase conservação da carga quiral. Nesse trabalho, Bing Cheng e uma equipe de pesquisa em física e astronomia da Universidade Johns Hopkins e ciência dos materiais na Universidade da Califórnia, Santa Barbara, usou espectroscopia magneto-terahertz para estudar o arsenieto de cádmio epitaxial (Cd ₃ Como ₂ ) filmes - um material amplamente explorado na física do estado sólido para extrair suas condutividades em função do efeito magnético quiral. Quando a equipe aplicou o campo, eles notaram uma resposta drástica marcadamente nítida - um modelo altamente aclamado de transporte eletrônico sugerido pelo físico Paul Drude há mais de 100 anos. A resposta Drude surgiu do contexto mais amplo deste sistema como uma assinatura definitiva de um novo canal de transporte consistente com a resposta quiral. A independência de campo da relaxação quiral estabeleceu que ela foi definida pela conservação aproximada do isospin na configuração.

A anomalia quiral

Algumas das demonstrações mais notáveis ​​de estados topológicos da matéria surgem de sua resposta a campos eletromagnéticos. Por exemplo, Os isoladores topológicos são caracterizados por um efeito magnetoelétrico quantizado. Semimetais de Weyl e Semimetais de Dirac (WSM e DSM) são estados da matéria nos quais bandas de condução e valência tocam e se dispersam quase linearmente em torno de pares de nós no espaço de momento. Cada nó pode ser identificado por sua quiralidade em relação ao spin de uma partícula sem massa (com dispersão linear) orientada paralela ou antiparalela ao seu momento. Os sistemas Dirac são, portanto, semelhantes a duas cópias dos sistemas Weyl; em cada nó, existem dois conjuntos de bandas de distribuição linear com carga quiral oposta. Apesar de serem metais, Semimetais de Weyl e semimetais de Dirac mostraram efeitos de transporte distintos associados à quase conservação da carga quiral. A anomalia quiral, portanto, existia nos limites de transporte quântico e semiclássico. A carga quiral não é conservada em nenhum material real devido a violações da simetria quiral por meio de dispersões de bandas não lineares. Como resultado, a quase conservação da carga quiral é relativa à simetria quiral emergente de baixa energia. Embora o efeito existisse em regimes de transporte semiclássico e quântico, o efeito foi mais bem compreendido no limite quântico. A carga quiral não é precisamente conservada e é bombeada sob a ação de campos elétricos e magnéticos colineares, conhecidos como anomalia quiral. Os cientistas observaram uma magnetorresistência longitudinal negativa (NLMR) em vários sistemas semimetais de Dirac e semimetais de Weyl como consequência do efeito magnético quiral, embora o NLMR não seja causado exclusivamente por esse efeito.

Um parâmetro chave que rege a anomalia quiral é a taxa de relaxamento quiral. As propriedades intrínsecas da anomalia quiral podem ser caracterizadas de forma mais convincente medindo diretamente a taxa de relaxamento quiral e as taxas de relaxamento intravalley. King et al. usaram espectroscopia magneto-terahertz para estudar os filmes finos epitaxiais de alta qualidade de semimetais de arseneto de cádmio de Dirac (Cd ₃ Como ₂ ) Este é um material ideal para investigações devido aos seus nódulos Dirac quádruplos degenerados que são protegidos por um C ₄ simetria. Tipicamente, o Cd orientado de alta qualidade ₃ Como ₂ os filmes podem ser cultivados usando epitaxia de feixe molecular. Ao realizar experimentos de condutividade dependente de frequência, os cientistas extraíram a taxa de relaxamento quiral e as taxas de relaxamento intravalley diretamente. Eles então mediram dois Cd ₃ Como ₂ filmes e extraiu sua condutividade terahertz dependente do campo usando duas medições sem contato para evitar quaisquer artefatos associados com os caminhos de corrente não homogêneos que tendem a atormentar os experimentos de corrente contínua.

Condutividade Terahertz e transporte quiral

Em seguida, a equipe investigou a condutividade terahertz em diferentes campos magnéticos e extraiu o bombeamento de carga dinâmica e o relaxamento da anomalia quiral usando ajustes Drude-Lorentz. Eles notaram um notável efeito induzido por campo, resultando em um aumento apenas da condutividade de baixa frequência. Contudo, isso não resultou de uma mudança na taxa de espalhamento normal ou mudança na densidade da portadora do material, mas contou com o aparecimento de um canal de transporte paralelo com uma nova escala de frequência. O efeito também não foi associado com espalhamento dependente de spin, que normalmente se manifestaria como uma mudança geral na taxa de espalhamento. O surgimento de um canal de transporte adicional e uma nova escala de tempo estavam precisamente de acordo com as expectativas teóricas para a anomalia quiral. O transporte quiral ocorreu por meio de um aumento do potencial eletroquímico efetivo por meio do equilíbrio entre o bombeamento quiral e o espalhamento dos internódios. Para distinguir uma corrente quiral em estado estacionário, a taxa de espalhamento quiral tinha que ser menor do que a taxa de relaxamento intravalley. Nos experimentos, Cheng et al. observou que a taxa de espalhamento quiral é de aproximadamente um quarto da taxa de relaxamento intravalley em ambas as amostras. Os cientistas compararam este tamanho relativo à luz da teoria prevalecente e esperam conduzir mais estudos nesta área no futuro. A equipe também interpretou os recentes experimentos de terahertz não lineares relativos ao relaxamento quiral que mostraram uma taxa lenta devido à maior separação de nós no arseneto de tântalo cristalino semimetal de Weyl (taAs) e / ou a falta de espalhamento de isospin.

Panorama

Desta maneira, Bing Cheng e colegas observaram um efeito anômalo de magnetocondutividade de terahertz no arsenieto de cádmio semimetal de Dirac. O efeito dependia do efeito magnético quiral. A dependência observada e a evolução da forma funcional da condutividade estavam de acordo com a teoria da anomalia quiral. Contudo, as taxas de espalhamento quiral e espalhamento intranodo não estavam precisamente de acordo com a teoria prevalecente, uma vez que o espalhamento quiral era muito mais forte do que o previsto. Os pesquisadores, portanto, desenvolverão modelos mais revisados ​​com taxas mais realistas de dispersão experimental de impurezas no futuro.

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