Onderzoekers van het MIPT hebben het gedrag onderzocht van Weyl-deeltjes die op het oppervlak van Weyl-halfmetalen gevangen zitten. Hun studie werd gepubliceerd in de prestigieuze Rapid Communications-sectie van Fysieke beoordeling B .

Het Weyl-deeltje - of het Weyl-fermion, om een ​​preciezere term te gebruiken - werd in het begin van de 20e eeuw voorspeld door Hermann Weyl, een Duitse natuurkundige. Ondanks zijn vroege voorspelling en enorme inspanningen gericht op de zoektocht naar het illusoire Weyl-deeltje, het werd pas in 2015 experimenteel ontdekt. de Weyl werd niet waargenomen in een gigantische botser, maar in kleine kristallen, die bekend werd als Weyl-halfmetalen. Deze materialen hebben sindsdien veel aandacht getrokken, waardoor dit onderzoeksgebied een van de populairste in de moderne natuurkunde is.

Weyl-halfmetalen kunnen worden beschouwd als een 3D-equivalent van grafeen, het 2-D kristal met unieke eigenschappen ontdekt door MIPT-afgestudeerden Andre Geim en Konstantin Novoselov, die in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde ontvingen. Elektronen in grafeen en Weyl-halfmetalen gedragen zich als massaloze deeltjes die verwant zijn aan fotonen. Echter, in tegenstelling tot fotonen, deze deeltjes hebben een elektrische lading, waardoor ze veelbelovend zijn voor toepassingen in de elektronica. Zoals het blijkt, de bizarre eigenschappen van elektronen in dit soort materialen kunnen worden beschreven in termen van topologische veldentheorie. De Nobelprijs voor de natuurkunde 2016 werd toegekend aan wetenschappers die topologische concepten introduceerden in de fysica van de gecondenseerde toestand.

In een theoretische studie onder supervisie van MIPT's Prof. Vladimir Volkov, Zhanna Devizorova, een doctoraat student aan het MIPT, keek naar oppervlaktetoestanden van Weyl-fermionen, d.w.z., hoe elektronen zich gedragen nabij het oppervlak van een Weyl-halfmetaalkristal. De speciale toestanden van elektronen nabij het oppervlak van een kristal, bekend als elektronische oppervlaktetoestanden, werden in de jaren dertig voorspeld door toekomstige Nobelprijswinnaars Igor Tamm (USSR) en William Shockley (VS), die de eerste theoretische modellen van deze staten heeft voorgesteld en bestudeerd. Echter, pas onlangs kregen oppervlaktestaten de aandacht van onderzoekers. De praktische betekenis van dit onderzoeksgebied blijkt uit het feit dat moderne micro-elektronica die gebruik maakt van silicium universeel gebaseerd is op geleidende kanalen in de buurt van het oppervlak. Echter, silicium zelf is geen topologisch materiaal.

Het gedrag van elk deeltje onder een extern veld wordt bepaald door de dispersiewet die de energie van het deeltje relateert aan zijn momentum. Volgens de verspreidingswet, het energiespectrum van elektronen in een kristal definieert elektronische eigenschappen als geleidbaarheid. Het bulkenergiespectrum van elektronen in een Weyl-halfmetaal wordt beschreven door een set bestaande uit een even aantal Weyl-kegels, of valleien, gecentreerd op speciale punten in de momentumruimte.

Het oppervlak van zo'n kristal heeft opmerkelijke eigenschappen. Weyl-halfmetalen onderscheiden zich door het kenmerkende energiespectrum van deeltjes die hun oppervlaktetoestanden bevolken. In deze exotische spectra, de krommen die toestanden met gelijke energie vertegenwoordigen, zijn niet-gesloten en verschijnen als bogen in een tweedimensionale impulsruimte. Deze zogenaamde Fermi-bogen verbinden punten van het elektronenspectrum die bij verschillende Weylkegels horen. In tegenstelling tot Weyl-fermionen, gewone elektronen worden gekenmerkt door gesloten Fermi-krommen in de vorm van een cirkel. Tot nu, alle theoretische beschrijvingen van Fermi-bogen zijn gebaseerd op gecompliceerde en obscure computerberekeningen op basis van eerste principes.

De op het MIPT gebaseerde wetenschappers profiteerden van het feit dat Weyl-fermionen die zich ver van het oppervlak van het kristal bevinden, gehoorzamen aan de differentiaalvergelijkingen van Weyl om de randvoorwaarden af ​​te leiden die met succes verantwoordelijk zijn voor interval-interacties op het halfmetaaloppervlak. Ze losten het stelsel van Weyls vergelijkingen voor twee valleien met de hand op, " rekening houdend met de afgeleide randvoorwaarden, dus analytisch de vorm van Fermi-bogen vinden. In werkelijkheid, ze boden zowel een kwantitatieve als een kwalitatieve beschrijving van experimentele gegevens, en bewees dat Fermi-boogvorming voornamelijk wordt aangedreven door sterke interval-interactie onder Weyl-fermionverstrooiing op het kristaloppervlak.

Het is denkbaar dat de halfmetalen van Weyl ultrasnelle elektronica mogelijk maken. Theoretische onderzoekers onderzoeken momenteel principes die de basis leggen voor elektronische apparaten van de volgende generatie op basis van Weyl-halfmetalen. Deze analytische benadering is een relatief gemakkelijke manier om de invloed van elektrische en magnetische velden op Weyl-fermionen te verklaren. Het heuristische potentieel van deze benadering zou de vooruitgang naar snellere en efficiëntere elektronica aanzienlijk kunnen vergemakkelijken.