朗道能級與什麼有關
DSM中手性異常的電荷動力學及其實驗裝置。（A） DSM Cd3As2的低能電子結構示意圖。它擁有兩個沿kz軸的三維狄拉克節點。（B）直流電磁場與太低頻電場共向時，預期會出現手性異常。（C）用於收集資料的時域磁太赫茲譜儀示意圖。採用線柵偏振器1 （WGP1）和WGP2來產生ETHz∥B或ETHz⊥B的線偏振太赫茲脈衝。採用快速旋轉偏振器（FRP）來調製頻率接近47hz的太赫茲電場。利用WGP3和鎖相放大器，透過一次測量可以高精度地確定複雜的傳輸矩陣。（D）在ETHz∥B的DSM中，三維狄拉克態將發展出沿磁場方向彌散的朗道能級（LLs）。第0個LL是手性電流。許多不同的弛豫速率控制電荷動力學。1/τn為內（正）散射率，1/τv為谷間散射率，1/τi為同位旋谷的節點間散射率。Credit： Science Advances， doi：10。1126/sciad 。abg0914
三維Dirac和Weyl半金屬具有電荷手性，電子自旋動量具有平行或反平行鎖定。這種材料可以表現出與手性電荷近守恆相關的手性磁效應。在這項研究中，程兵和約翰霍普金斯大學的物理學和天文學研究團隊以及加州大學聖巴巴拉分校的材料科學研究團隊，利用磁太赫茲光譜研究外延砷化鎘（Cd3As2）薄膜——一種在固態物理中被廣泛探索的材料，提取其作為手性磁效應的功能電導率。當該團隊應用該領域時，他們注意到一個明顯尖銳的德魯德反應——這是物理學家保羅·德魯德100多年前提出的一個備受讚譽的電子傳輸模型。Drude反應從這個系統的更廣泛的背景中產生，作為與手性反應一致的新傳輸通道的明確標誌。手性弛豫的場獨立性證明它是由同位旋的近似守恆決定的。
手性異常
一些關於物質拓撲狀態的最顯著的證明來自於它們對電磁場的響應。例如，拓撲絕緣體具有量子化磁電效應的特徵。Weyl半金屬和Dirac半金屬（WSM和DSM）是指在動量空間中，導帶和價帶在節點對周圍近似線性地接觸和分散的物質狀態。每個節點都可以透過其相對於無質量（線性分散）粒子自旋的手性來識別，該粒子的方向平行於或反平行於其動量。狄拉克系統因此類似於韋爾系統的兩個副本；在每個節點上，有兩組手性電荷相反的線性分配帶。儘管是金屬，但韋爾半金屬和狄拉克半金屬表現出與手性電荷近守恆相關的獨特輸運效應。因此，在量子和半經典輸運極限中存在手性異常。由於非線性帶色散破壞了手性對稱性，手性電荷在任何實際材料中都不守恆。因此，手性電荷的近守恆相對於湧現的低能手性對稱性。雖然這種效應存在於半經典和量子輸運體系中，但這種效應在量子極限中最容易被理解。手性電荷不是精確守恆的，而是在共線電場和磁場作用下被泵浦的，稱為手性異常。科學家們在一些Dirac半金屬和Weyl半金屬體系中觀察到由手性磁效應引起的負縱向磁電阻（NLMR），儘管NLMR並不是唯一由這種效應引起的。
不同磁場下的太赫茲電導率。（A）樣品S1的ETHz∥B與B∥（1¯10）。手性異常導致1thz以下的太赫茲電導率σ1在磁場作用下逐漸增強。（B） S1樣本ETHz⊥與B∥（1¯10）太赫茲電導率的抑制σ1是正磁電阻率的特徵，通常在垂直磁場和電場中觀察到。（C）對於B∥（11¯¯2）樣品S2， ETHz∥B。（D） B的ETHz⊥∥（11¯¯2）樣本S2。（E和F）樣本S1和S2的0- t和7-T資料的比較及其差異。Δσ1是來自手性異常的本徵手性電導率。突出顯示的灰色區域代表電荷泵浦效應的強度，其寬度定義了手性弛豫速率。Credit： Science Advances， doi：10。1126/sciad 。abg0914
實驗
控制手性異常的一個關鍵引數是手性弛豫速率。直接測量手性弛豫速率和室內弛豫速率可以很好地表徵手性異常的固有性質。King等人利用磁太赫茲光譜研究了Dirac半金屬砷化鎘（Cd3As2）的高質量外延薄膜。這是研究的理想材料，因為它的四簡併狄拉克節點被C4對稱保護。通常，利用分子束外延可以生長高質量的定向Cd3As2薄膜。透過頻率相關電導率實驗，科學家們直接提取了手性弛豫率和巷道內弛豫率。然後，他們測量了兩種Cd3As2薄膜，並使用兩種非接觸測量方法提取了它們的場依賴太赫茲電導率，以避免任何與不均勻電流路徑相關的人為因素，而這種不均勻電流路徑往往會影響直流電實驗。
不同磁場下的太赫茲電導率。太赫茲電導率σ1在每個頻率（見彩條規模）的函式（a）的磁場樣本S1和S2 （B）樣本與ETHz∥B太赫茲電導率（0。3太赫茲）作為磁場在不同的函式（C）樣品的太赫茲偏振角S1和S2 （D）樣本。在（E）樣品S1和（F）樣品S2不同的太赫茲極化角下，太赫茲電導率（1 THz處）隨磁場的變化。所有資料均在6k時採集。Credit： Science Advances， doi：10。1126/sciad 。abg0914
太赫茲電導率和手性輸運
該團隊接下來研究了不同磁場下的太赫茲電導率，並利用Drude-Lorentz模型提取了手性異常的動態電荷泵浦和弛豫。他們注意到一個顯著的場誘導效應，只導致低頻電導率的增強。然而，這並不是因為材料的正常散射率或載流子密度的變化，而是依賴於具有新的頻率尺度的平行輸運通道的出現。這種效應也與自旋相關的散射無關，這通常表現為散射率的總體變化。額外的輸運通道和新的時間標度的出現與手性異常的理論預期完全一致。手性遷移是透過手性泵浦和節點間散射之間的平衡產生有效的電化學電位。為了區分穩態手性電流，手性散射速率必須小於通道內弛豫速率。在實驗中，Cheng等人注意到兩種樣品的手性散射速率都大約是巷道內弛豫速率的四分之一。科學家們根據流行的理論比較了這一相對大小，並期望在未來在這一領域進行進一步的研究。該團隊還解釋了最近的非線性太赫茲實驗，相對於手性弛緩，該實驗顯示，由於Weyl半金屬晶體砷化鉭（taAs）中節點的較大分離和/或缺乏同位旋散射，速度較慢。
動態電荷泵浦和弛豫的手性異常提取德魯-洛倫茲適合。（A和B）符合S1樣品的太赫茲電導率，ETHz∥B。（C和D）對S2樣品的太赫茲電導率進行了擬合，ETHz∥B。 S1 （E）和S2 （G）樣品的Drude等離子體頻率與場相關，手性輸運通道（ωpc/2π，紅色）的等離子體頻率直接對應於手性電荷泵浦，是場的線性函式。樣品S1 （F）和樣品S2 （H）的手性散射速率（1/2πτc，紅色）控制了手性異常的動力學過程，如圖1D所示，兩個樣品的手性散射速率（1/2πτn，藍色）都比正常的體散射速率（1/2πτn，藍色）小得多。Credit： Science Advances， doi：10。1126/sciad 。abg0914
前景
透過這種方法，程兵和同事在Dirac半金屬砷化鎘中觀察到了異常太赫茲的磁導效應。這種效應取決於手性磁效應。觀察到的電導率函式形式的依賴關係和演化與手性異常理論完全一致。然而，由於手性散射比預測的要強得多，因此手性散射和內分子散射的速率與流行的理論並不完全一致。因此，研究人員將在未來開發更符合實際的實驗雜質散射率的修正模型。
固有直流手性電導率從太赫茲電導率外推。（A） S1樣品（藍色）和S2樣品（紅色）手性異常的固有直流磁導率。在兩個樣品中，Δσ遵循B2，與半經典輸運狀態下手性電流場依賴性的預測一致。（B）樣品S1（藍色）和樣品S2（紅色）的聲子振盪器強度。當磁場增強手性電導率時，兩種樣品的振盪強度都降低。Credit： Science Advances， doi：10。1126/sciad 。abg0914