Forskere forklarer, hvordan Weyl-partikler danser på krystaloverfladen

Forskere ved MIPT har undersøgt adfærden af ​​Weyl-partikler fanget på overfladen af ​​Weyl-halvmetaller. Deres undersøgelse blev offentliggjort i den prestigefyldte Rapid Communications-sektion af Fysisk gennemgang B .

Weyl-partiklen – eller Weyl-fermion, for at bruge et mere præcist udtryk - blev forudsagt i begyndelsen af ​​det 20. århundrede af Hermann Weyl, en tysk fysiker. På trods af hans tidlige forudsigelse og enorme indsats rettet mod søgen efter den illusive Weyl-partikel, det blev først eksperimentelt opdaget i 2015. Mod forventning, Weyl blev ikke observeret i en kæmpe kolliderer, men i små krystaller, som kom til at blive kendt som Weyl-halvmetaller. Disse materialer har siden tiltrukket sig stor opmærksomhed, gør dette forskningsområde til et af de hotteste inden for moderne fysik.

Weyl-halvmetaller kan betragtes som en 3-D-ækvivalent af grafen, 2-D krystal med unikke egenskaber opdaget af MIPT-kandidater Andre Geim og Konstantin Novoselov, som blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2010. Elektroner i grafen og Weyl-halvmetaller opfører sig som masseløse partikler beslægtet med fotoner. Imidlertid, i modsætning til fotoner, disse partikler har en elektrisk ladning, gør dem lovende til anvendelser inden for elektronik. Det viser sig, elektronernes bizarre egenskaber i denne slags materialer kan beskrives ud fra topologisk feltteori. 2016 Nobelprisen i fysik blev tildelt videnskabsmænd, der introducerede topologiske begreber i kondenseret tilstandsfysik.

I en teoretisk undersøgelse overvåget af MIPTs prof. Vladimir Volkov, Zhanna Devizorova, en ph.d. studerende på MIPT, så på overfladetilstande af Weyl fermioner, dvs. hvordan elektroner opfører sig nær overfladen af ​​en Weyl semimetallkrystal. De særlige tilstande af elektroner nær overfladen af ​​en krystal, kendt som elektroniske overfladetilstande, blev forudsagt i 1930'erne af fremtidige nobelprisvindere Igor Tamm (USSR) og William Shockley (USA), som foreslog og studerede de første teoretiske modeller af disse stater. Imidlertid, det var først for nylig, at overfladetilstande fik forskernes opmærksomhed. Den praktiske betydning af dette forskningsfelt fremgår af det faktum, at moderne mikroelektronik, der bruger silicium, er universelt baseret på ledende kanaler nær overfladen. Imidlertid, silicium i sig selv er ikke et topologisk materiale.

Enhver partikels opførsel under et eksternt felt bestemmes af spredningsloven, der relaterer partiklens energi til dens momentum. Ifølge spredningsloven energispektret af elektroner i en krystal definerer sådanne elektroniske egenskaber som ledningsevne. Bulkenergispektret af elektroner i et Weyl-halvmetal er beskrevet af et sæt bestående af et lige antal Weyl-kegler, eller dale, centreret på særlige punkter i momentumrummet.

Overfladen af ​​en sådan krystal har bemærkelsesværdige egenskaber. Weyl-halvmetaller er kendetegnet ved varemærkeenergispektret af partikler, der befolker deres overfladetilstande. I disse eksotiske spektre, kurverne, der repræsenterer tilstande med lige stor energi, er ikke-lukkede og fremstår som buer på todimensionelt momentumrum. Disse såkaldte Fermi-buer forbinder punkter i elektronspektret, der tilhører forskellige Weyl-kegler. I modsætning til Weyl fermioner, almindelige elektroner er kendetegnet ved lukkede Fermi-kurver i form af en cirkel. Indtil nu, alle teoretiske beskrivelser af Fermi-buer har været baseret på komplicerede og obskure computerberegninger baseret på de første principper.

De MIPT-baserede videnskabsmænd udnyttede det faktum, at Weyl-fermioner, der er placeret væk fra overfladen af ​​krystallen, adlyder Weyls differentialligninger til at udlede de randbetingelser, der med succes tager højde for interaktioner på semimetal overflade. De løste systemet med Weyls ligninger for to dale "i hånden, "under hensyntagen til de afledte grænsebetingelser, dermed analytisk finde formen af ​​Fermi-buer. Træde i kræft, de tilbød en kvantitativ såvel som kvalitativ beskrivelse af eksperimentelle data, og beviste, at Fermi-buedannelse hovedsageligt er drevet af stærk intervalley-interaktion under Weyl-fermionspredning på krystaloverfladen.

Det er tænkeligt, at Weyl-halvmetaller kunne muliggøre ultrahurtig elektronik. Teoretiske forskere undersøger i øjeblikket principper, der danner grundlaget for næste generations elektroniske enheder baseret på Weyl-halvmetaller. Denne analytiske tilgang er en forholdsvis nem måde at redegøre for indflydelsen af ​​elektriske og magnetiske felter på Weyl-fermioner. Det heuristiske potentiale i denne tilgang kunne i høj grad lette fremskridt mod hurtigere og mere effektiv elektronik.