手性异常效应对外尔半金属磁电输运影响的理论研究

As a novel topological material, Weyl semimetal has attracted extensive attention because of its three-dimensional Dirac dispersion relation, Fermi arcs surface state and the chiral property of the Weyl point. Specifically, the chiral anomaly can result in many exotic transport phenomena, such as negative magnetoresistance, anomalous Hall effect, etc. So far, however, both negative and positive longitudinal magnetoresistance have been observed in Weyl semimetal materials. There is not clear conclusion whether negative or positive magnetoresistance may appear under certain circumstance. And the relations between magneto-transport and many other properties are also unknown. So this project theoretically study the chiral anomaly and related magneto-transport in Weyl semimetal. Using appropriate transport methods, we try to obtain the magnetoresistance of Weyl semimetal, and focus on the effect of chiral anomaly on magneto-transport. We would also analyze the influence of different scattering on this transport, and compare the magneto-transport properties of type I and type II Weyl semimetals. Via these theoretical studies, we hope that we can find the reasons why there are negative and positive magnetoresistance in Weyl semimetal. So we can have a better theoretical explanation for the observed magnetoresistance, and furnish a theoretical basis for further application of Weyl semimetals and the chiral anomaly.

外尔半金属作为一种新型拓扑材料，由于三维狄拉克型色散关系、费米弧表面态和外尔点的手性特征而受到人们的广泛关注。特别是手性异常特性会导致很多奇异的电子输运现象，如负磁致电阻现象和半量子反常霍尔效应等。但是目前的实验除了在实际材料中观察到负磁致电阻，还观察到正磁致电阻。也就是说具体条件下到底会出现什么现象，又跟那些具体因素有关还没有明确的定论。因此本项目开展手性异常效应对外尔半金属磁电输运影响的理论研究。通过建立合适的电子输运模型研究手性异常效应对外尔半金属磁致电阻特性的具体影响，比较不同类型散射势对此磁电输运的影响和物理规律，同时还可以比较I类和II类外尔半金属磁电输运的不同特征。通过这些理论研究明确给出外尔半金属中出现或正或负磁致电阻的原因；为实验上观察到的各种磁致电阻变化提供更清晰的理论解释，也为进一步应用外尔半金属和手性异常效应提供理论依据。

外尔半金属具有很多奇异的输运特性，比如手性异常效应导致的负磁致电阻（或正磁致电导）、平面霍尔效应、量子振荡现象等。对于强弱不同磁场下的外尔半金属电子输运问题，理论上通常使用不同的模型和方法进行处理。这导致对于倾斜外尔半金属，仍缺乏一个能够同时包含弱磁场（经典极限）到强磁场（量子极限）的统一输运框架和结果。另外实验上观察到的外尔半金属磁致电导率变化现象非常丰富且不统一，特别是在量子极限下。一般而言，材料输运特性会受杂质散射影响，而且外尔点本身的倾斜特性对输运也有修正。因此本项目从解析的朗道能级出发，结合玻尔兹曼输运方程和格林函数方法，主要研究不同磁场强度、不同类型散射势以及外尔点的倾斜（包括方向和大小）三大因素对外尔半金属磁电输运的具体影响。具体研究结果包括：（1）在一个统一的模型框架下得到了不同磁场强度下I类倾斜外尔半金属纵向磁电导率的表达结果及其关于磁场的不同变化规律；（2）明确了量子极限下不同类型的杂质散射势对输运时间和纵向磁电导率的具体影响；（3）阐明了I类倾斜外尔半金属中倾斜方向和倾斜量大小对磁电导率的修正作用，并比较了不同情况下倾斜和散射等对输运影响的强弱。本项目的研究结果为实验上观察到的各种不同变化的磁致电阻（或磁致电导）提供了更确切的理论依据，并且为实验上确定外尔点的倾斜轴提供了一种可行的磁电输运测量方法。另外本项目还增加设计并寻找到一系列具有高稳定性能并可调控磁矩的金属超原子团簇，其有望组装成具丰富磁电性能的材料。