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Yiming Pan | Weyl半金屬中的手征反常(chiral anomaly)的基本理論(Part 1)

 Naz摘星星 2022-04-24

作者介紹:
        Technion(以色列理工學院) · Postdoc    
        魏茨曼科學研究所 復雜系統(tǒng)物理系博士后


從科普的角度看,@樹袋熊,@LindaRao的答案基本上可以給人經(jīng)典和直觀的解釋,。但是我有點強迫癥地,,還是想要指出,,手征反常(chiral anomaly)這個概念其實是非經(jīng)典的也不直觀。接下來,,我會從五個角度(場論,模型Hamitonian,,Boltzmann輸運方程,,強磁場下Landau能量分析和Axion電動力學)來引出手征反常出來,希望能幫助你理解Weyl半金屬中的手征反常,。(這兒是第一部分,,第二部分有點長,單獨寫出來了,,參看Weyl半金屬中的手征反常(chiral anomaly)的基本理論(Part 2) - 知乎專欄)
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Weyl半金屬中的

手征反常(chiral anomaly)的基本理論(part I)


Weyl半金屬 (Weyl semimetals)是一種被稱之為拓撲半金屬的材料[1-5],。它有許多特性,比如其低能有效能帶是線性Dirac型色散,,體帶能帶受拓撲保護,,具有一段不連續(xù)的非平庸的費米弧表面態(tài)(Fermi arc)[2,4],還有手征反常 (chiral anomaly)以及由手征反常誘導的一系列的電磁響應等[6],。這些特性不管從理論的還是實驗的角度看其實都不算新鮮,,因為我們對高溫超導,石墨烯(graphene), 拓撲絕緣體(TIs)以及量子(自旋)Hall效應的深入研究早已經(jīng)把Weyl半金屬可能的性質預言個通透了[1-5],。Weyl半金屬的火,,其實是從2014底第一性計算和2015年初實驗上TaAs族材料的發(fā)現(xiàn)開始燒起來的[7-11],類似的新材料或者早已存在的舊材料都陸陸續(xù)續(xù)被報道出來了,。相比較于做實驗和做計算方面的熱度,,做理論的研究者似乎就冷淡得多,因為關于Weyl半金屬的理論體系早在研究拓撲絕緣體的時候已經(jīng)被順帶建立起來了,。當然,,由實驗帶動具體到實際材料的理論研究確實方興未艾,比如Weyl半金屬(或Dirac半金屬)在輸運上具有類似線性的不飽和磁阻,,弱反局域化(WAL)以及負磁阻(NMR)等[12-15],,還需要進一步確認其機理。

還是回到Weyl半金屬的眾多特性上來說,,雖然這些特性對于做TIs理論的人來看并不新鮮,,但是有一個概念即手征反常[16-23],依然沒有被深入探討過,,特別是它如何從場論中進入凝聚態(tài),,如何被實驗觀測和應用,以及它涉及的深刻的物理背景等,。討論Weyl半金屬的基本理論的文獻很多,,可選擇的角度也很多,,可以從把Weyl半金屬看做一種'三維石墨烯’(3D graphene)的延伸,借助于對石墨烯的理論和認識研究Weyl半金屬,,也可以從磁性參雜的TIs層狀堆砌的超晶格模型來[24],,如果熟悉TIs的話。那么如果對這些材料本身的理論也是一知半解的話,,更抽象的做法也是有的,,比如從Dirac方程出發(fā),將一個Dirac費米子分裂成一對Weyl費米子,,進一步從討論其是時間反演對稱性破缺還是空間反演對稱性破缺這種問題開始,。然后不同于以上的角度,本文選擇從手征反常(chiral anomaly)開始,,因為我個人看法是手征反常最難懂,,最神秘,也最有應用價值,。把手征反常這個概念拿下了,,其他相關問題都是小case,而Weyl半金屬不過是手征反常存在的一種材料上的實現(xiàn)罷,。

  • 場論:量子反常和Fujikawa技術


手征反常,,英文名叫chiral anomaly, 又叫 quantum anomaly, axial anomaly, 還有叫 Adler-Bell-Jackiw (ABJ) anomaly和triangle anomaly[17]. 這些豐富的叫法都挺合適的,而且基本都沿用至今,,但是對于初學者來說卻是丈二和尚摸不著頭腦,,很是頭疼的。物理上,,手征反常是有準確定義的,,用英文來說就是” The chiral anomaly is a quantum term that violates the classical conservation of the chiral current”[25]。解釋起來就是說,,手征反常是一種量子效應,,但有趣的是并沒有經(jīng)典對應。一般為了得到一個量子理論,,我們會先得到一個經(jīng)典理論(Lagrangian)然后通過量子化的手續(xù)得到相應的量子理論,。在這個過程中,經(jīng)典體系中的對稱性也得到一個量子版本,,根據(jù)Noether定理每種對稱變換給出一個相應的守恒流(或守恒荷),,比如熟知的Lorentz對稱性或CPT對稱等等。這些都是量子場論教科書入門的知識,,就不多贅述,。但是一個經(jīng)典的對稱性就一定存在一個量子的對稱性嗎?或者換個說法,經(jīng)典系統(tǒng)中存在兩個對稱性,,那么量子化之后,,這個兩個對稱依然可以自洽共存,不打架,?物理的世界就是充滿著矛盾,,這時手征對稱性就扮演這樣的'壞分子’。對于一個無質量的Dirac Lagrangian,,系統(tǒng)存在一個經(jīng)典場論下的手征對稱性,,也就是其左右手費米子數(shù)是分別守恒的;一旦量子化,,這個手征對稱性就會本征自發(fā)地破壞,其結果就是左右手費米子數(shù)不再保持不變,,同時手征守恒流多出個源項[6],,

因此,
這兒用了分部積分的技巧并丟掉了表面項,,得到反常項的Chern-Simons形式,,這一形式的作用量是用于描述拓撲場論以及量子Hall效應的,這說明手征反常和凝聚態(tài)中的量子Hall效應具有內在聯(lián)系[37],,并且有拓撲性,,這個神秘的關聯(lián)以及其中可能的物理內涵,先按下不表,?;贑hern-Simons形式,得到電流表達式為,,

其中P為Ohmic功(power),。只要選擇適合的外場方向,如電場和磁場反平行,,那么系統(tǒng)就會源源不斷地向外輸出能量,。但是系統(tǒng)已經(jīng)處于整體平衡態(tài),總體能量已經(jīng)是最小了,,系統(tǒng)的能量不可能更低了,,因此不可能會對外做功的。因此我們必須意識到這個事實,,即手征磁電流在系統(tǒng)趨于平衡態(tài)時就會消失,。

  • 模型Hamiltonian分析

回到所關心的問題本身,也就是說對于一個Weyl半金屬的材料實現(xiàn)來說,,T或者P兩者必須至少有一個對稱性被破壞才行,,否則T和P同時存在,那么Weyl點必然成對簡并,那就變成Dirac半金屬的情形了,。另外實際具體材料還需要考慮晶體空間群,,這個問題需要具體材料具體分析才行?;趯Φ谌齻€問題的認識,,我們得到一個非常有價值的結果,在固體能帶中,,不管使用什么手段(加壓,,參雜,元素替換等等),,只有能夠實現(xiàn)費米面附近的能帶非簡并地交叉,,那么在交叉點附近有效準粒子激發(fā)就是手征Weyl費米子!
這個條件如此之普通,,并沒有附加任何苛刻的條件,,對比拓撲絕緣體或者超導材料實現(xiàn)的條件都要容易得多啊。然而實際的發(fā)展過程則是拓撲絕緣體先發(fā)展成熟,,而Weyl半金屬卻是最近才火起來,,這個原因我在介紹Fermi arc的回答中涉及過(求問一下,誰能科普一下Fermi Arc和 weyl semimetal的聯(lián)系,。,?),這兒就不多評論,。關于拓撲絕緣體和Dirac金屬等綜述文章很多,,有興趣可以參考文獻[2-4]等。
至此,,簡單總結一下,,其實以上我們干的最主要一件事情就是用場論的方法推導出來手征反常,并最后給出在材料中實現(xiàn)手征反常所需要的最小的條件,。然而場論的語言包括路徑積分和規(guī)范化等可能會使得部分讀者感到不適應,,甚至有人會問,有沒有更加凝聚態(tài)語言的方式獲得手征反常呢,?我的回答是,,有的!接下來,,將開始用凝聚態(tài)中大家熟悉的Boltzmann輸運方程來推導出,,手征反常流方程。這個方法不僅僅是為了提供給大家一個新的角度認識手征反常,,以后就會發(fā)現(xiàn),,當你需要處理實際輸運問題,,就會發(fā)現(xiàn)Boltzmann輸運方程是最保險最有效的方案。
(*暫時先寫到這兒吧,,唉,,編輯公式真是讓人惡心的活,下次再補充關于Boltzman方程和Landau能級中的手征反常分析---17-06-2017*)


參考文獻

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