DSM中手性异常的电荷动力学及其实验装置。(A) DSM Cd3As2的低能电子结构示意图。它拥有两个沿kz轴的三维狄拉克节点。(B)直流电磁场与太低频电场共向时，预期会出现手性异常。(C)用于收集数据的时域磁太赫兹谱仪示意图。采用线栅偏振器1 (WGP1)和WGP2来产生ETHz∥B或ETHz⊥B的线偏振太赫兹脉冲。采用快速旋转偏振器(FRP)来调制频率接近47hz的太赫兹电场。利用WGP3和锁相放大器，通过一次测量可以高精度地确定复杂的传输矩阵。(D)在ETHz∥B的DSM中，三维狄拉克态将发展出沿磁场方向弥散的朗道能级(LLs)。第0个LL是手性电流。许多不同的弛豫速率控制电荷动力学。1/τn为内(正)散射率，1/τv为谷间散射率，1/τi为同位旋谷的节点间散射率。Credit: Science Advances, doi:10.1126/sciad .abg0914
三维Dirac和Weyl半金属具有电荷手性，电子自旋动量具有平行或反平行锁定。这种材料可以表现出与手性电荷近守恒相关的手性磁效应。在这项研究中，程兵和约翰霍普金斯大学的物理学和天文学研究团队以及加州大学圣巴巴拉分校的材料科学研究团队，利用磁太赫兹光谱研究外延砷化镉(Cd3As2)薄膜——一种在固态物理中被广泛探索的材料，提取其作为手性磁效应的功能电导率。当该团队应用该领域时，他们注意到一个明显尖锐的德鲁德反应——这是物理学家保罗·德鲁德100多年前提出的一个备受赞誉的电子传输模型。Drude反应从这个系统的更广泛的背景中产生，作为与手性反应一致的新传输通道的明确标志。手性弛豫的场独立性证明它是由同位旋的近似守恒决定的。
手性异常
一些关于物质拓扑状态的最显著的证明来自于它们对电磁场的响应。例如，拓扑绝缘体具有量子化磁电效应的特征。Weyl半金属和Dirac半金属(WSM和DSM)是指在动量空间中，导带和价带在节点对周围近似线性地接触和分散的物质状态。每个节点都可以通过其相对于无质量(线性分散)粒子自旋的手性来识别，该粒子的方向平行于或反平行于其动量。狄拉克系统因此类似于韦尔系统的两个副本;在每个节点上，有两组手性电荷相反的线性分配带。尽管是金属，但韦尔半金属和狄拉克半金属表现出与手性电荷近守恒相关的独特输运效应。因此，在量子和半经典输运极限中存在手性异常。由于非线性带色散破坏了手性对称性，手性电荷在任何实际材料中都不守恒。因此，手性电荷的近守恒相对于涌现的低能手性对称性。虽然这种效应存在于半经典和量子输运体系中，但这种效应在量子极限中最容易被理解。手性电荷不是精确守恒的，而是在共线电场和磁场作用下被泵浦的，称为手性异常。科学家们在一些Dirac半金属和Weyl半金属体系中观察到由手性磁效应引起的负纵向磁电阻(NLMR)，尽管NLMR并不是唯一由这种效应引起的。
不同磁场下的太赫兹电导率。(A)样品S1的ETHz∥B与B∥(1¯10)。手性异常导致1thz以下的太赫兹电导率σ1在磁场作用下逐渐增强。(B) S1样本ETHz⊥与B∥(1¯10)太赫兹电导率的抑制σ1是正磁电阻率的特征，通常在垂直磁场和电场中观察到。(C)对于B∥(11¯¯2)样品S2, ETHz∥B。(D) B的ETHz⊥∥(11¯¯2)样本S2。(E和F)样本S1和S2的0- t和7-T数据的比较及其差异。Δσ1是来自手性异常的本征手性电导率。突出显示的灰色区域代表电荷泵浦效应的强度，其宽度定义了手性弛豫速率。Credit: Science Advances, doi:10.1126/sciad .abg0914
实验
控制手性异常的一个关键参数是手性弛豫速率。直接测量手性弛豫速率和室内弛豫速率可以很好地表征手性异常的固有性质。King等人利用磁太赫兹光谱研究了Dirac半金属砷化镉(Cd3As2)的高质量外延薄膜。这是研究的理想材料，因为它的四简并狄拉克节点被C4对称保护。通常，利用分子束外延可以生长高质量的定向Cd3As2薄膜。通过频率相关电导率实验，科学家们直接提取了手性弛豫率和巷道内弛豫率。然后，他们测量了两种Cd3As2薄膜，并使用两种非接触测量方法提取了它们的场依赖太赫兹电导率，以避免任何与不均匀电流路径相关的人为因素，而这种不均匀电流路径往往会影响直流电实验。
不同磁场下的太赫兹电导率。太赫兹电导率σ1在每个频率(见彩条规模)的函数(a)的磁场样本S1和S2 (B)样本与ETHz∥B太赫兹电导率(0.3太赫兹)作为磁场在不同的函数(C)样品的太赫兹偏振角S1和S2 (D)样本。在(E)样品S1和(F)样品S2不同的太赫兹极化角下，太赫兹电导率(1 THz处)随磁场的变化。所有数据均在6k时采集。Credit: Science Advances, doi:10.1126/sciad .abg0914
太赫兹电导率和手性输运
该团队接下来研究了不同磁场下的太赫兹电导率，并利用Drude-Lorentz模型提取了手性异常的动态电荷泵浦和弛豫。他们注意到一个显著的场诱导效应，只导致低频电导率的增强。然而，这并不是因为材料的正常散射率或载流子密度的变化，而是依赖于具有新的频率尺度的平行输运通道的出现。这种效应也与自旋相关的散射无关，这通常表现为散射率的总体变化。额外的输运通道和新的时间标度的出现与手性异常的理论预期完全一致。手性迁移是通过手性泵浦和节点间散射之间的平衡产生有效的电化学电位。为了区分稳态手性电流，手性散射速率必须小于通道内弛豫速率。在实验中，Cheng等人注意到两种样品的手性散射速率都大约是巷道内弛豫速率的四分之一。科学家们根据流行的理论比较了这一相对大小，并期望在未来在这一领域进行进一步的研究。该团队还解释了最近的非线性太赫兹实验，相对于手性弛缓，该实验显示，由于Weyl半金属晶体砷化钽(taAs)中节点的较大分离和/或缺乏同位旋散射，速度较慢。
动态电荷泵浦和弛豫的手性异常提取德鲁-洛伦兹适合。(A和B)符合S1样品的太赫兹电导率，ETHz∥B。(C和D)对S2样品的太赫兹电导率进行了拟合，ETHz∥B. S1 (E)和S2 (G)样品的Drude等离子体频率与场相关，手性输运通道(ωpc/2π，红色)的等离子体频率直接对应于手性电荷泵浦，是场的线性函数。样品S1 (F)和样品S2 (H)的手性散射速率(1/2πτc，红色)控制了手性异常的动力学过程，如图1D所示，两个样品的手性散射速率(1/2πτn，蓝色)都比正常的体散射速率(1/2πτn，蓝色)小得多。Credit: Science Advances, doi:10.1126/sciad .abg0914
前景
通过这种方法，程兵和同事在Dirac半金属砷化镉中观察到了异常太赫兹的磁导效应。这种效应取决于手性磁效应。观察到的电导率函数形式的依赖关系和演化与手性异常理论完全一致。然而，由于手性散射比预测的要强得多，因此手性散射和内分子散射的速率与流行的理论并不完全一致。因此，研究人员将在未来开发更符合实际的实验杂质散射率的修正模型。
固有直流手性电导率从太赫兹电导率外推。(A) S1样品(蓝色)和S2样品(红色)手性异常的固有直流磁导率。在两个样品中，Δσ遵循B2，与半经典输运状态下手性电流场依赖性的预测一致。(B)样品S1(蓝色)和样品S2(红色)的声子振荡器强度。当磁场增强手性电导率时，两种样品的振荡强度都降低。Credit: Science Advances, doi:10.1126/sciad .abg0914
