stringtranslate.com

Вейль полуметаллический

Полуметаллы Вейля — это полуметаллы или металлы, квазичастичным возбуждением которых является фермион Вейля , частица, которая сыграла решающую роль в квантовой теории поля, но не наблюдалась как фундаментальная частица в вакууме. [1] В этих материалах электроны имеют линейный закон дисперсии, что делает их твердотельным аналогом релятивистских безмассовых частиц. [2]

Теоретические предсказания

Фермионы Вейля — это безмассовые киральные фермионы , воплощающие математическую концепцию спинора Вейля . Спиноры Вейля, в свою очередь, играют важную роль в квантовой теории поля и Стандартной модели , где они являются строительным блоком фермионов в квантовой теории поля. Спиноры Вейля являются решением уравнения Дирака , выведенного Германом Вейлем и называемого уравнением Вейля . [3] Например, половина заряженного фермиона Дирака определенной киральности является фермионом Вейля. [4]

Фермионы Вейля могут быть реализованы как возникающие квазичастицы в низкоэнергетической конденсированной системе. Это предсказание было впервые предложено Коньерсом Херрингом в 1937 году в контексте зонных электронных структур твердотельных систем, таких как электронные кристаллы. [5] [6] Топологические материалы вблизи инверсионного перехода стали основной целью в поисках топологически защищенных объемных электронных пересечений зон. [7]

Первое предложенное (неэлектронное) жидкое состояние имеет аналогично возникающее, но нейтральное возбуждение и теоретически интерпретирует киральную аномалию сверхтекучей жидкости , поскольку наблюдение точек Ферми находится в сверхтекучей фазе гелия-3 А. [8] [ необходим неосновной источник ] Кристаллический арсенид тантала (TaAs) является первым обнаруженным топологическим полуметаллом фермиона Вейля , который демонстрирует топологические поверхностные ферми-дуги , где фермион Вейля электрически заряжен вдоль линии, первоначально предложенной Херрингом. [6] [9] Электронный фермион Вейля не только заряжен, но и стабилен при комнатной температуре, где не известно такое сверхтекучее или жидкое состояние. [ нужна цитата ]

Схема полуметаллического состояния Вейля, которое включает узлы Вейля и дуги Ферми. Узлы Вейля являются монополями и антимонополями в пространстве импульсов. Эскиз адаптирован из Ref. [10]

Экспериментальное наблюдение

Полуметалл Вейля представляет собой твердотельный кристалл , низкоэнергетическими возбуждениями которого являются фермионы Вейля, несущие электрический заряд даже при комнатной температуре. [11] [12] [13] Полуметалл Вейля позволяет реализовать фермионы Вейля в электронных системах. [9] Это топологически нетривиальная фаза материи вместе со сверхтекучей фазой гелия-3, которая расширяет топологическую классификацию за пределы топологических изоляторов. [14] Фермионы Вейля при нулевой энергии соответствуют точкам вырождения объемной зоны, узлам Вейля (или точкам Ферми), которые разделены в импульсном пространстве . Фермионы Вейля имеют различную киральность: левостороннюю или правостороннюю.

В кристалле полуметалла Вейля киральность, связанная с узлами Вейля (точками Ферми), можно понимать как топологические заряды, приводящие к монополям и антимонополям кривизны Берри в пространстве импульсов , которые (расщепление) служат топологическим инвариантом этого кристалла. фаза. [11] По сравнению с фермионами Дирака в графене или на поверхности топологических изоляторов , фермионы Вейля в полуметалле Вейля являются наиболее устойчивыми электронами и не зависят от симметрии, за исключением трансляционной симметрии кристаллической решетки. Следовательно, квазичастицы фермионов Вейля в полуметалле Вейля обладают высокой степенью подвижности. Ожидается, что из-за нетривиальной топологии полуметалл Вейля будет демонстрировать на своей поверхности электронные состояния дуги Ферми . [9] [11] Эти дуги представляют собой разрывные или непересекающиеся сегменты двумерного контура Ферми, которые оканчиваются проекциями фермионных узлов Вейля на поверхность. Теоретическое исследование сверхтекучего гелия-3, проведенное в 2012 году [15], предположило наличие дуг Ферми в нейтральных сверхтекучих средах.

Изображение детектора (вверху) сигнализирует о существовании фермионных узлов Вейля и дуг Ферми. [9] Знаки плюс и минус отмечают хиральность частицы. Схема (внизу) показывает, как фермионы Вейля внутри кристалла можно рассматривать как монополи и антимонополи в импульсном пространстве. (Изображение Су-Ян Сюя и М. Захида Хасана)

16 июля 2015 года были сделаны первые экспериментальные наблюдения полуметаллических фермионов Вейля и топологических дуг Ферми в монокристаллическом материале арсениде тантала (TaAs), нарушающем инверсию симметрии. [9] Как фермионы Вейля, так и поверхностные состояния дуги Ферми наблюдались с помощью прямой электронной визуализации с помощью ARPES , что впервые установило его топологический характер. [9] Это открытие было основано на предыдущих теоретических предсказаниях, предложенных в ноябре 2014 года группой под руководством бангладешского учёного М. Захида Хасана . [16] [17]

Точки Вейля (точки Ферми) также наблюдались в неэлектронных системах, таких как фотонные кристаллы, фактически еще до их экспериментального наблюдения в электронных системах [18] [19] [20] и спектре сверхтекучих квазичастиц гелия-3 (нейтральных фермионах). [21] Обратите внимание, что хотя эти системы и отличаются от электронных систем конденсированного состояния, основная физика очень схожа.

Рост кристаллов, структура и морфология

TaAs — первый открытый Вейлем полуметалл (проводник). Крупноразмерные (~1 см) монокристаллы TaAs высокого качества [22] можно получить методом химического паротранспорта, используя в качестве переносчика йод.

TaAs кристаллизуется в объемноцентрированной тетрагональной элементарной ячейке с периодами решетки a = 3,44 Å и c = 11,64 Å и пространственной группой I41md (№ 109). Атомы Ta и As шестикоординированы друг с другом. В этой структуре отсутствует горизонтальная зеркальная плоскость и, следовательно, инверсионная симметрия, которая необходима для реализации полуметалла Вейля.

Монокристаллы TaAs имеют блестящие грани, которые можно разделить на три группы: две усеченные поверхности — {001}, трапециевидные или равнобедренные треугольные поверхности — {101} и прямоугольные {112}. TaAs принадлежит к точечной группе 4 мм, эквивалентные плоскости {101} и {112} должны иметь четырехугольный вид. Наблюдаемая морфология может варьироваться от вырожденных случаев идеальной формы. Помимо первоначального открытия TaAs как полуметалла Вейля, было обнаружено, что многие другие материалы, такие как Co 2 TiGe, MoTe 2 , WTe 2 , LaAlGe и PrAlGe, демонстрируют полуметаллическое поведение Вейля. [23] [24]

Приложения

Фермионы Вейля в объеме и дуги Ферми на поверхности полуметаллов Вейля представляют интерес для физики и технологии материалов. [3] [25] Высокая подвижность заряженных фермионов Вейля может найти применение в электронике и вычислительной технике.

В 2017 году [26] исследовательская группа из Венского технологического университета, выполняющая экспериментальную работу по разработке новых материалов, и группа из Университета Райса, выполняющая теоретическую работу, создали материал, который они назвали полуметаллами Вейля-Кондо. [27]

В 2019 году группа международных исследователей во главе с командой из Бостонского колледжа обнаружила, что полуметаллический арсенид тантала Вейля обеспечивает самое большое внутреннее преобразование света в электричество среди всех материалов, более чем в десять раз превышающее достигнутое ранее. [28]

2D-полуметаллы Вейля — это спин-поляризованные аналоги графена, которые обещают доступ к топологическим свойствам фермионов Вейля в (2+1)-тусклом пространстве-времени. В 2024 году группа из Университета Миссури, Национального университета Ченг Кунг и Национальной лаборатории Ок-Ридж обнаружила в эпитаксиальном монослое висмутена собственный двумерный полуметалл Вейля со спин-поляризованными конусами Вейля и топологическими краевыми состояниями струны Ферми. [29]

дальнейшее чтение

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Шуан Цзя, Су-Ян Сюй и М. Захид Хасан (2016). «Полуметаллы Вейля, дуги Ферми и киральные аномалии». Природные материалы . 56 (15): 1140–1144. arXiv : 1612.00416 . Бибкод : 2016NatMa..15.1140J. дои : 10.1038/nmat4787. PMID  27777402. S2CID  1115349.
  2. ^ Понгсанганган, К. (2018). Роль кулоновских взаимодействий в полуметаллах Вейля: перенормировка и нарушение симметрии (дипломная работа по физике). Утрехтский университет.
  3. ^ Аб Джонстон, Хэмиш (2015). «Наконец-то обнаружены фермионы Вейля». Мир физики .
  4. ^ Вейль, Х. (1929). «Электрон и гравитация. I». З. Физ . 56 (5–6): 330–352. Бибкод : 1929ZPhy...56..330Вт. дои : 10.1007/bf01339504. S2CID  186233130.
  5. ^ Херринг, К. (1937). «Случайное вырождение энергетических зон кристаллов». Физ. Преподобный . 52 (4): 365–373. Бибкод : 1937PhRv...52..365H. doi : 10.1103/physrev.52.365.
  6. ^ аб Вишванат, Ашвин (8 сентября 2015 г.). «Где дела Вейля». АПС Физика . Том. 8. с. 84. Бибкод : 2015PhyOJ...8...84В. дои : 10.1103/Физика.8.84 .
  7. ^ Хасан, М. Захид; Сюй, Су-Ян; Неупане, Мадхаб (2015), «Топологические изоляторы, топологические полуметаллы Дирака, топологические кристаллические изоляторы и топологические изоляторы Кондо», Топологические изоляторы , John Wiley & Sons, Ltd, стр. 55–100, doi : 10.1002/9783527681594.ch4, ISBN 978-3-527-68159-4, получено 27 апреля 2020 г.
  8. ^ Беван, TDC; Маннинен, А.Дж.; Кук, Дж.Б.; Хук, младший; Холл, HE; Вачаспати, Т.; Воловик, Г.Е. (17 апреля 1997 г.). «Создание импульса вихрями в сверхтекучем 3He как модель первичного бариогенеза». Природа . 386 (6626): 689–692. arXiv : cond-mat/9611164 . Бибкод : 1997Natur.386..689B. дои : 10.1038/386689a0. S2CID  4315194.
  9. ^ abcdef Сюй, С.-Ю.; Белопольский И.; Алидуст, Н.; Неупан, М.; Биан, Г.; Чжан, К.; Санкар, Р.; Чанг, Г.; Юань, З.; Ли, CC; Хуанг, С.-М.; Чжэн, Х.; Ма, Дж.; Санчес, Д.С.; Ван, БК; Бансил, А.; Чжоу, Ф.-К.; Шибаев, ПП; Лин, Х.; Цзя, С.; Хасан, МЗ (2015). «Открытие полуметаллического фермиона Вейля и топологических дуг Ферми». Наука . 349 (6248): 613–617. arXiv : 1502.03807 . Бибкод : 2015Sci...349..613X. дои : 10.1126/science.aaa9297. PMID  26184916. S2CID  206636457.
  10. ^ Баленц, Л. (2011). «Вейлевский поцелуй электронов». Физика . 4 : 36. Бибкод : 2011PhyOJ...4...36B. дои : 10.1103/физика.4.36 .
  11. ^ abc Ван, X .; Тернер, AM; Вишванат, А.; Саврасов, С.Ю. (2011). «Топологические полуметаллические и поверхностные состояния ферми-дуги в электронной структуре иридатов пирохлора». Физ. Преподобный Б. 83 (20): 205101. arXiv : 1007.0016 . Бибкод : 2011PhRvB..83t5101W. doi : 10.1103/physrevb.83.205101. S2CID  119281249.
  12. ^ Бурков, А.А.; Баленц, Л. (2011). «Полуметалл Вейля в многослойном топологическом изоляторе». Физ. Преподобный Летт . 107 (12): 127205. arXiv : 1105.5138 . Бибкод : 2011PhRvL.107l7205B. doi : 10.1103/physrevlett.107.127205. PMID  22026796. S2CID  12954084.
  13. ^ Сингх, Бахадур; Шарма, Ашутош; Лин, Х.; Хасан, МЗ; Прасад, Р.; Бансил, А. (18 сентября 2012 г.). «Топологическая электронная структура и полуметалл Вейля в классе полупроводников TlBiSe${}_{2}$». Физический обзор B . 86 (11): 115208. arXiv : 1209.5896 . doi : 10.1103/PhysRevB.86.115208. S2CID  119109505.
  14. ^ Мураками, С. (2007). «Фазовый переход между фазами квантового спина Холла и изолятора в 3D: появление топологической бесщелевой фазы». Нью Дж. Физ . 9 (9): 356. arXiv : 0710.0930 . Бибкод : 2007NJPh....9..356M. дои : 10.1088/1367-2630/9/9/356. S2CID  13999448.
  15. ^ Силаев, М.А. (2012). «Топологические дуги Ферми в сверхтекучести». Физический обзор B . 86 (21): 214511. arXiv : 1209.3368 . Бибкод : 2012PhRvB..86u4511S. doi : 10.1103/PhysRevB.86.214511. S2CID  118352190.
  16. ^ Хуанг, С.-М.; Сюй, С.-Ю.; Белопольский И.; Ли, CC; Чанг, Г.; Ван, БК; Алидуст, Н.; Биан, Г.; Неупан, М.; Чжан, К.; Цзя, С.; Бансил, А.; Лин, Х.; Хасан, МЗ (2015). «Полуметалл Вейля Фермиона с поверхностными дугами Ферми в классе монопниктида переходного металла TaAs». Природные коммуникации . 6 : 7373. Бибкод : 2015NatCo...6.7373H. doi : 10.1038/ncomms8373. ПМК 4490374 . ПМИД  26067579. 
  17. ^ Венг, Х.; Фанг, К.; Фанг, З.; Берневиг, А.; Дай, X. (2015). «Полуметаллическая фаза Вейля в нецентросимметричных монофосфидах переходных металлов». Физ. Ред . X. 5 (1): 011029. arXiv : 1501.00060 . Бибкод : 2015PhRvX...5a1029W. doi : 10.1103/PhysRevX.5.011029. S2CID  15298985.
  18. ^ Лу, Л.; Фу, Л.; Джоаннопулос, Дж.; Солячич, М. (2013). «Точки Вейля и узлы линий в гироидных фотонных кристаллах». Природная фотоника . 7 (4): 294–299. arXiv : 1207.0478 . Бибкод : 2013NaPho...7..294L. дои : 10.1038/nphoton.2013.42. S2CID  5144108.
  19. ^ Лу, Л.; Ван, З.; Йе, Д.; Фу, Л.; Джоаннопулос, Дж.; Солячич, М. (2015). «Экспериментальное наблюдение точек Вейля». Наука . 349 (6248): 622–624. arXiv : 1502.03438 . Бибкод : 2015Sci...349..622L. дои : 10.1126/science.aaa9273. PMID  26184914. S2CID  11725179.
  20. ^ Нет, Джихо; Хуан, Шэн; Лейкам, Дэниел; Чонг, Идун; Чен, Кевин; Рехтсман, Микаэль (2017). «Экспериментальное наблюдение оптических точек Вейля и дугообразных поверхностных состояний Ферми». Физика природы . 13 (6): 611–617. arXiv : 1610.01033 . Бибкод : 2017NatPh..13..611N. дои : 10.1038/nphys4072. S2CID  45026039.
  21. ^ Воловик, GE (2009). Вселенная в капле гелия. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-956484-2. OCLC  519697958.
  22. ^ Ли, Жилин; Чен, Хунсян; Цзинь, Шифэн; Ган, Ди; Ван, Вэньцзюнь; Го, Ливэй; Чен, Сяолун (2016). «Полуметаллический TaAs Вейля: рост кристаллов, морфология и термодинамика». Крист. Рост Дес . 16 (3): 1172–1175. doi : 10.1021/acs.cgd.5b01758.
  23. ^ Дулал, Раджендра П.; Дахал, Бишну; Форбс, Эндрю; Бхаттараи, Нирадж (2019). «Слабая локализация и малая аномальная холловская проводимость в ферромагнитном полуметалле Вейля Co2TiGe». Научные отчеты . 9 (1): 3342. Бибкод : 2019NatSR...9.3342D. дои : 10.1038/s41598-019-39037-0 . ПМК 6399263 . ПМИД  30833580. 
  24. ^ Бхаттараи, Нирадж (2020). «Транспортные характеристики тонких пленок полуметалла Weyl типа II MoTe 2 , выращенных методом химического осаждения из паровой фазы». Журнал исследования материалов . 35 (5): 454–461. arXiv : 2001.01703 . Бибкод : 2020JMatR..35..454B. дои : 10.1557/jmr.2019.320. S2CID  209862800.
  25. ^ Шекхар, К.; и другие. (2015). «Чрезвычайно большое магнитосопротивление и сверхвысокая подвижность в топологическом кандидате на полуметалл Вейля NbP». Физика природы . 11 (8): 645–649. arXiv : 1502.04361 . Бибкод : 2015NatPh..11..645S. дои : 10.1038/nphys3372. S2CID  119282987.
  26. ^ Лай, Синь-Хуа; Грефе, Сара Э.; Пашен, Силке; Си, Цимяо (18 декабря 2017 г.). «Полуметалл Вейля – Кондо в системах тяжелых фермионов». Труды Национальной академии наук . 115 (1): 93–97. Бибкод : 2018PNAS..115...93L. дои : 10.1073/pnas.1715851115 . ISSN  0027-8424. ПМЦ 5776817 . ПМИД  29255021. 
  27. ↑ Джош Габбатисс (21 декабря 2017 г.). «Ученые открывают совершенно новый материал, который не может быть объяснен классической физикой». Независимый . Проверено 22 мая 2019 г.
  28. ↑ Бостонский колледж (4 марта 2019 г.). «Хиральность дает колоссальный фототок». физ.орг . Проверено 22 мая 2019 г.
  29. ^ Лу, Цяншэн; Шриниваса Редди, PV; Чон, Хоён; Мацца, Алессандро Р.; Бралек, Мэтью; Ву, Вэйкан; Ян, Шэнъюань А.; Кук, Джейкоб; Коннер, Клейтон; Чжан, Сяоцянь; Чакраборти, Амарнатх; Яо, Юэ-Тин; Тьен, Хун-Джу; Ценг, Чун-Хан; Ян, По-Юань; Льен, Шан-Вэй; Линь, Синь; Чан, Тай-Чанг; Виньяле, Джованни; Ли, Ань-Пин; Чанг, Тай-Ронг; Мур, Роб Г.; Бянь, Гуан (17 июля 2024 г.). «Реализация двумерного полуметалла Вейля и топологических струн Ферми». Природные коммуникации . 15 : 6001.arXiv : 2303.02971 . дои : 10.1038/s41467-024-50329-6 .