Weyl semimetal
Fermiony Weyla to bezmasowe chiralne fermiony ucieleśniające matematyczną koncepcję spinora Weyla . Z kolei spinory Weyla odgrywają ważną rolę w kwantowej teorii pola i Modelu Standardowym , gdzie są budulcem fermionów w kwantowej teorii pola. Spinory Weyla są rozwiązaniem równania Diraca wyprowadzonego przez Hermanna Weyla , zwanego równaniem Weyla . Na przykład połowa naładowanego fermionu Diraca o określonej chiralności jest fermionem Weyla.
Fermiony Weyla mogą być realizowane jako wyłaniające się kwazicząstki w niskoenergetycznym układzie skondensowanej materii. Przewidywanie to zostało po raz pierwszy zaproponowane przez Conyersa Herringa w 1937 r. W kontekście elektronicznych struktur pasmowych układów półprzewodnikowych, takich jak kryształy elektroniczne. Materiały topologiczne w pobliżu przejścia inwersji pasma stały się głównym celem poszukiwań chronionych topologicznie masowych skrzyżowań pasm elektronicznych.
Sugerowany pierwszy (nieelektroniczny) stan ciekły ma podobnie wyłaniające się, ale neutralne wzbudzenie i teoretycznie interpretuje chiralną anomalię nadciekłości jako obserwację punktów Fermiego w fazie nadciekłej helu-3 A. [ potrzebne źródło inne niż podstawowe ] Krystaliczny arsenek tantalu (TaAs) jest pierwszym odkrytym topologicznym półmetalem fermionu Weyla , który wykazuje topologiczną powierzchnię łuków Fermiego gdzie fermion Weyla jest naładowany elektrycznie zgodnie z pierwotną sugestią Herringa. Elektroniczny fermion Weyla jest nie tylko naładowany, ale stabilny w temperaturze pokojowej, w której nie ma znanego stanu nadciekłego lub ciekłego. [ potrzebne źródło ]
Obserwacja eksperymentalna
Półmetal Weyla to kryształ stanu stałego , którego niskoenergetyczne wzbudzenia to fermiony Weyla, które przenoszą ładunek elektryczny nawet w temperaturze pokojowej. Półmetal Weyla umożliwia realizację fermionów Weyla w układach elektronicznych. Jest to topologicznie nietrywialna faza materii, wraz z fazą nadciekłą helu-3 A, która rozszerza klasyfikację topologiczną poza izolatory topologiczne. Fermiony Weyla przy zerowej energii odpowiadają punktom degeneracji pasma masowego, węzłom Weyla (lub punktom Fermiego), które są oddzielone w przestrzeni pędu . Fermiony Weyla mają różne chiralności, lewoskrętne lub prawoskrętne.
W półmetalicznym krysztale Weyla chiralności związane z węzłami Weyla (punktami Fermiego) można rozumieć jako ładunki topologiczne, prowadzące do monopoli i antymonopoli krzywizny Berry'ego w przestrzeni pędu , które (rozszczepienie) służą jako niezmiennik topologiczny tego faza. Porównywalne do fermionów Diraca w grafenie lub na powierzchni izolatorów topologicznych , fermiony Weyla w półmetalu Weyla są najbardziej wytrzymałymi elektronami i nie zależą od symetrii z wyjątkiem symetrii translacji sieci krystalicznej. Stąd kwazicząstki fermionu Weyla w półmetalu Weyla mają wysoki stopień ruchliwości. Ze względu na nietrywialną topologię oczekuje się, że półmetal Weyla zademonstruje na swojej powierzchni stany łuku Fermiego . Łuki te są nieciągłymi lub rozłącznymi segmentami dwuwymiarowego konturu Fermiego, które są zakończone na rzutach węzłów fermionów Weyla na powierzchnię. Teoretyczne badanie nadciekłego helu-3 z 2012 r. Sugerowało łuki Fermiego w neutralnych nadcieczach.
wykonano pierwsze eksperymentalne obserwacje półmetalicznych fermionów Weyla i topologicznych łuków Fermiego w monokrystalicznym materiale z arsenkiem tantalu (TaAs) łamiącym symetrię inwersyjną. Zarówno fermiony Weyla, jak i stany powierzchniowe łuku Fermiego zaobserwowano za pomocą bezpośredniego obrazowania elektronicznego za pomocą ARPES , który po raz pierwszy ustalił jego topologiczny charakter. Odkrycie to zostało oparte na wcześniejszych przewidywaniach teoretycznych zaproponowanych w listopadzie 2014 r. przez zespół kierowany przez naukowca z Bangladeszu, M. Zahida Hasana .
Punkty Weyla (punkty Fermiego) obserwowano również w układach nieelektronicznych, takich jak kryształy fotoniczne, w rzeczywistości nawet przed ich eksperymentalną obserwacją w układach elektronicznych i widmie kwazicząstek nadciekłych helu-3 (neutralne fermiony). Należy zauważyć, że chociaż te systemy różnią się od elektronicznych systemów skondensowanej materii, podstawowa fizyka jest bardzo podobna.
Wzrost kryształów, struktura i morfologia
TaAs jest pierwszym odkrytym półmetalem Weyla (przewodnikiem). Wielkowymiarowe (~1 cm), wysokiej jakości monokryształy TaAs można otrzymać metodą chemicznego transportu parowego z użyciem jodu jako czynnika transportującego.
TaAs krystalizuje w tetragonalnej komórce elementarnej skupionej na ciele ze stałymi sieciowymi a = 3,44 Å i c = 11,64 Å i grupą przestrzenną I41md (nr 109). Atomy Ta i As są ze sobą skoordynowane po sześć. W tej strukturze brakuje poziomej płaszczyzny lustra, a tym samym symetrii inwersji, która jest niezbędna do realizacji półmetalu Weyla.
Monokryształy TaAs mają błyszczące fasetki, które można podzielić na trzy grupy: dwie powierzchnie ścięte to {001}, powierzchnie trapezowe lub trójkątne równoramienne to {101}, a prostokątne {112}. TaAs należy do grupy punktowej 4mm, równoważne płaszczyzny {101} i {112} powinny tworzyć dwutetragonalny wygląd. Obserwowana morfologia może być różna w zdegenerowanych przypadkach formy idealnej. Oprócz początkowego odkrycia TaAs jako półmetalu Weyla, zidentyfikowano wiele innych materiałów, takich jak Co2TiGe, MoTe2, WTe2, LaAlGe, PrAlGe, które wykazują właściwości półmetaliczne Weyla
Aplikacje
Fermiony Weyla w masie i łuki Fermiego na powierzchniach półmetali Weyla są przedmiotem zainteresowania fizyki i technologii materiałowej. Wysoka mobilność naładowanych fermionów Weyla może znaleźć zastosowanie w elektronice i informatyce.
W 2017 roku zespół badawczy z Politechniki Wiedeńskiej prowadzący prace eksperymentalne w celu opracowania nowych materiałów oraz zespół z Rice University prowadzący prace teoretyczne wyprodukowali materiał, który nazywają półmetalami Weyla-Kondo.
Grupa międzynarodowych naukowców kierowana przez zespół z Boston College odkryła w 2019 r., że półmetaliczny tantalowy arsenek Weyla zapewnia największą wewnętrzną konwersję światła na elektryczność spośród wszystkich materiałów, ponad dziesięciokrotnie większą niż dotychczas.
Dalsza lektura
- Johnston, Hamish (23 lipca 2015). „Wreszcie zauważono fermiony Weyla” . Świat Fizyki . Źródło 22 listopada 2018 r .
- Ciudad, David (20 sierpnia 2015). „Bezmasowy, ale prawdziwy” . Materiały natury . 14 (9): 863. doi : 10.1038/nmat4411 . ISSN 1476-1122 . PMID 26288972 .
- Jia, Shuang; Xu, Su-Yang; Hasan, M. Zahid (25 października 2016). „Półmetale Weyla, łuki Fermiego i anomalia chiralna” . Materiały natury . 15 (11): 1140–1144. ar Xiv : 1612.00416 . Bibcode : 2016NatMa..15.1140J . doi : 10.1038/nmat4787 . PMID 27777402 . S2CID 1115349 .