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我院“Chiral Anomaly Driven Casimir-Lifshitz Torque between WeySemimetals”被物理学最顶级期刊Physical Review Letters,125, 047402,2020在线发表


我院陈亮副教授与我院特聘教授,中科院半导体所常凯院士合作的工作“Chiral Anomaly Driven Casimir-Lifshitz Torque between Weyl Semimetals”,于2020年7月24日被物理学最顶级期刊Physical Review Letters在线发表,华北电力大学数理学院为第一单位,陈亮为第一作者,常凯为通讯作者。

根据量子力学,真空中存在量子涨落,这些量子涨落会带来物理上可观测的效应。1948年,荷兰物理学家Hendrik Casimir指出,真空中两块平行放置的电中性金属平板之间存在吸引力,这一现象称为Casimir效应。近年来,Casimir效应相关的物理——排斥Casimir效应,热Casimir效应,临界涨落带来的Casimir效应等——引起了人们的广泛关注。如果真空中平行放置的两块平板并非金属板,而是双折射电介质材料,那么它们之间除了Casimir作用力之外,还存在由真空涨落的空间各向异性带来的扭矩,这一效应称为Casimir-Lifshitz扭矩(Casimir-Lifshitz torque)。2018年,马里兰大学的科学家在液晶-双折射材料构成的体系中首次测量到这种扭矩。

Dirac方程描述了相对论性费米子运动的量子力学行为。当费米子的质量为零时,具有不同手征的费米子之间不存在耦合,它们的运动分别满足一组方程,称为Weyl方程,这些无质量的费米子称为Weyl费米子。直观上,左手Weyl费米子和右手Weyl费米子满足不同的方程,因而不会相互转换,这一现象称为手征对称性。考虑到量子力学效应之后,手征对称性不再守恒:真空的量子隧穿会导致具有不同手征的Weyl费米子之间相互转化,丧失确定的手征——这一结论称为手征反常(chiral anomaly)。近年来,Weyl半金属(一类具有Weyl费米子的凝聚态物理材料)中的手征反常是非常热门的研究课题,表面费米弧、手征磁效应、平行磁场下的负磁阻效应,拓扑磁电效应等诸多手征反常相关的奇特物理性质被广泛报道。

本工作提出了Weyl半金属中手征反常带来的另一个奇特现象:Casimir-Lifshitz扭矩。这也是产生Casimir-Lifshitz扭矩的一种全新的机制。理论计算表明,当Weyl半金属之间的距离在100纳米~1微米之间时,手征反常导致的Weyl半金属之间的Casimir-Lifshitz扭矩比传统双折射材料之间的扭矩更大;在更小的空间尺度上,手征反常导致的Weyl半金属之间的Casimir-Lifshitz扭矩具有更低的对称性,这可以作为未来实验物理学家区分手征反常导致的Casimir-Lifshitz扭矩和传统的双折射材料之间的Casimir-Lifshitz扭矩的重要依据。这项研究工作拓展了实验上测量手征反常的方法:除手征磁效应、平行磁场下的负磁阻效应等输运性质的测量之外,还可以通过力学方法测量扭矩来探测手征反常。该工作有助于加深人们对真空的基本性质、手征反常、拓扑量子场论等物理概念的认识。文章的审稿人高度评论说:

The present manuscript conveys a significant idea in connection with the chiral anomaly, which is one of the main interests in the context of Weyl/Dirac fermions in materials. Their findings open a new way toward mechanical measurement of the chiral anomaly, in addition to the transport measurements we have known so far.