物天科研 | 我院理论物理团队曹高清副教授量子反常研究取得新进展——转动系统在垂直电磁场下的输运现象

       近日，我院理论物理团队曹高清副教授在美国物理评论D上以快报的形式发表量子反常研究取得的新进展。这个研究结果是根据三年前与复旦大学黄旭光教授的讨论推导得到的，是国际上较早提出的工作之一。由于高能重离子碰撞会产生转动、电场和磁场两两互不平行的情况，这对研究手征磁效应的寻找有重要参考价值。

       当前，电磁场或转动下系统的宏观量子反常输运现象是备受关注的国际前沿课题，特别是在高能核物理和凝聚态领域。其中，最著名也是最早的反常输运现象是由美国纽约州立大学石溪分校的D.E. Kharzeev教授提出的手征磁效应：与普通导体中电场导致平行电流不同，手征磁效应则是磁场导致平行电流且这个电流是非耗散的，它的根源是手征量子反常。手征磁效应在外尔半金属ZrTe5中已经被观测到，但在美国布鲁克海文国家实验室最新的高能重离子碰撞实验中仍未找到可靠的信号，它的困难在于本底太大。

       本工作是对宏观反常输运研究的进一步拓展，研究者考虑了系统的转动方向与外电磁场两两垂直的情形，如下图：

其中,n₅是手征密度，即右手粒子和左手粒子的密度差；J₅和J分别是手征流和电流。对这三个宏观密度-流的进一步分析表明：手征密度和手征流的起源不是手征反常，而电流的起源是手征反常且只有转动-自旋耦合的贡献。以手征密度为例，下图解释它是如何产生的：转动使得正负电子的自旋都朝下，垂直电磁场对应的玻印亭矢量会给正负电子一个与自旋反向的动量偏移；于是无论对电子还是正电子，总是左手粒子多于右手粒子。

       结合业内学者发现的平行磁场和转动下的反常输运现象，解析结果被表示成了更加普遍的洛伦兹协变的形式。未来，研究者课题组将进一步研究较高朗道能级对反常输运的贡献，此时非零的转动-轨道耦合可能会明显修正最低朗道能级的结果。

论文链接：

DOI: 10.1103/PhysRevD.104.L031901