Todimensionelle Dirac materialer:Struktur, ejendomme, og sjældenhed

grafen, et todimensionelt (2D) honeycomb-ark sammensat af kulstofatomer, har tiltrukket sig intense interesser verden over på grund af dets enestående egenskaber og lovende udsigter inden for både grundlæggende og anvendt videnskab. Den store udvikling af grafen er tæt forbundet med den unikke elektroniske struktur, det er, Dirac kegler. Keglen, der repræsenterer lineær energidispersion på Fermi -niveau, giver grafen masseløse fermioner, fører til forskellige kvante Hall-effekter, ultrahøj transportørmobilitet, og mange andre nye fænomener og egenskaber.

Dirac-kegle er speciel, men måske ikke unik for grafen. For nylig, flere og flere 2D-materialer er blevet forudsagt at have Dirac-kegler, såsom silicen og germanen (grafenlignende silicium og germanium, henholdsvis), flere grafyner (sp-sp2 carbon allotroper), og så videre. Men disse 2D Dirac-systemer er så sjældne sammenlignet med de mange 2D-materialer. Der er behov for en dyb forståelse af alle kendte 2D Dirac-systemer og en strategi til at søge efter nye.

Et nyt blad udgivet i National Science Review præsenterede de seneste fremskridt med teoretiske undersøgelser af forskellige 2D Dirac materialer.

I denne avis, de strukturelle og elektroniske egenskaber af grafen, silicen, germanene, grafynes, adskillige bor- og kulstofallotroper, overgangsmetaloxider, organiske og organometalliske krystaller, firkantet MoS2, og kunstige gitter (elektrongaser og ultrakolde atomer) blev opsummeret. Som forfatteren sagde, "de fleste Dirac-materialer har rumlig inversionssymmetri", "Mange af dem er todelte og består af kun ét element", og "hexagonal honeycomb-struktur er almindelig i atomare Dirac-materialer". Da "Dirac-keglestrukturen giver grafen masseløse fermioner, fører til halvt heltal/fraktioneret/fraktal kvante Hall effekter, ultrahøj transportørmobilitet", andre 2D Dirac-systemer blev forudsagt at have lignende egenskaber, og nogle besidder endda ny fysik ud over grafen.

På baggrund af ovenstående diskussioner, forfatterne undersøgte yderligere, hvordan Dirac-punkter bevæger sig og smelter sammen i disse systemer. De nævnte, at stamme kan flytte Dirac-punktet til en ny k (gensidig) placering. Men "når to Dirac-punkter med modsatte Berry-faser bevæger sig i k-rummet under enhver forstyrrelse og ankommer til det samme punkt, de smelter sammen, og deres Berry-faser tilintetgør hinanden". Desuden, von Neumann-Wigners sætning blev anvendt til at forklare knapheden på 2D Dirac-systemer. Derefter blev der udledt strenge krav til et 2D-system for at opnå Dirac-kegler, som er relateret til symmetrien, parametre, Fermi niveau, og båndoverlapning.

Dette papir bemærkede, at "Dirac-kegler er ikke kun den lineære energispredning omkring diskrete punkter, men også singulariteter i Hamiltonians spektrum og er topologisk beskyttet." Forfatterne påpegede "Ser fremad, vi tror på, at flere og flere 2D Dirac materialer vil blive opdaget, og en grundig forståelse af de eksisterende forhold for Dirac-kegler er meget nyttig i at søge/designe nye systemer."