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]
предсказания Теоретические
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 поиска топологически защищенных объемных электронных пересечений зон. [7]
Первое предложенное (неэлектронное) жидкое состояние имеет аналогично возникающее, но нейтральное возбуждение и теоретически интерпретирует сверхтекучей жидкости киральную аномалию , поскольку наблюдение точек Ферми находится в гелия-3 А. сверхтекучей фазе [8] [ нужен неосновной источник ] Кристаллический арсенид тантала (TaAs) - первый обнаруженный топологический полуметалл фермиона Вейля , который демонстрирует топологические поверхностные дуги Ферми , 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 ссылка ]
Экспериментальное наблюдение [ править ]
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. фермионов Вейля Следовательно, квазичастицы в полуметалле Вейля обладают высокой степенью подвижности. Ожидается, что из-за нетривиальной топологии полуметалл Вейля будет демонстрировать дуги Ферми . на своей поверхности электронные состояния [9] [11] Эти дуги представляют собой разрывные или непересекающиеся сегменты двумерного контура Ферми, оканчивающиеся на проекциях фермионных узлов Вейля на поверхность. Теоретическое исследование сверхтекучего гелия-3 в 2012 году. [15] предположил дуги Ферми в нейтральных сверхтекучих средах.
первые экспериментальные наблюдения полуметаллических фермионов Вейля и топологических дуг Ферми в монокристаллическом материале арсениде тантала (TaAs), нарушающем инверсию симметрии. 16 июля 2015 года были сделаны [9] Как фермионы Вейля, так и поверхностные состояния дуги Ферми наблюдались с помощью прямого электронного изображения 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 даже до их экспериментального наблюдения в электронных системах. [18] [19] [20] и спектр сверхтекучих квазичастиц гелия-3 (нейтральные фермионы). [21] Обратите внимание: хотя эти системы и отличаются от электронных систем конденсированного состояния, основная физика очень схожа.
кристаллов, структура морфология Рост и
TaAs — первый открытый Вейлем полуметалл (проводник). Крупноразмерные (~1 см) высококачественные монокристаллы TaAs. [22] можно получить с помощьюметод химического переноса паров с использованием йода в качестве транспортного агента.
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, многие другие материалы, такие как Co 2 TiGe, MoTe 2 , WTe 2 , LaAlGe и PrAlGe, демонстрируют полуметаллическое поведение Вейля. было обнаружено, что [23] [24]
Приложения [ править ]
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]
Дальнейшее чтение [ править ]
- Джонстон, Хэмиш (23 июля 2015 г.). «Наконец-то обнаружены фермионы Вейля» . Мир физики . Проверено 22 ноября 2018 г.
- Сьюдад, Давид (20 августа 2015 г.). «Безмассовый, но реальный» . Природные материалы . 14 (9): 863. дои : 10.1038/nmat4411 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 26288972 .
- Цзя, Шуан; Сюй, Су-Ян; Хасан, М. Захид (25 октября 2016 г.). «Полуметаллы Вейля, дуги Ферми и киральная аномалия» . Природные материалы . 15 (11): 1140–1144. arXiv : 1612.00416 . Бибкод : 2016NatMa..15.1140J . дои : 10.1038/nmat4787 . ПМИД 27777402 . S2CID 1115349 .
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ 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 . ПМИД 27777402 . S2CID 1115349 .
- ^ Понгсанганган, К. (2018). Роль кулоновских взаимодействий в полуметаллах Вейля: перенормировка и нарушение симметрии (дипломная работа по физике). Утрехтский университет.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Джонстон, Хэмиш (2015). «Наконец-то обнаружены фермионы Вейля» . Мир физики .
- ^ Вейль, Х. (1929). «Электрон и гравитация. I». З. Физ . 56 (5–6): 330–352. Бибкод : 1929ZPhy...56..330W . дои : 10.1007/bf01339504 . S2CID 186233130 .
- ^ Херринг, К. (1937). «Случайное вырождение энергетических зон кристаллов». Физ. Преподобный . 52 (4): 365–373. Бибкод : 1937PhRv...52..365H . дои : 10.1103/physrev.52.365 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Вишванат, Ашвин (8 сентября 2015 г.). «Где дела Вейля» . АПС Физика . Том. 8. с. 84. Бибкод : 2015PhyOJ...8...84V . дои : 10.1103/Физика.8.84 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж 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 . ПМИД 26184916 . S2CID 206636457 .
- ^ Баленц, Л. (2011). «Вейлевский поцелуй электронов» . Физика . 4 : 36. Бибкод : 2011PhyOJ...4...36B . дои : 10.1103/физика.4.36 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с 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 . дои : 10.1103/physrevb.83.205101 . S2CID 119281249 .
- ^ Бурков А.А.; Баленц, Л. (2011). «Полуметалл Вейля в многослойном топологическом изоляторе». Физ. Преподобный Летт . 107 (12): 127205. arXiv : 1105.5138 . Бибкод : 2011PhRvL.107l7205B . дои : 10.1103/physrevlett.107.127205 . ПМИД 22026796 . S2CID 12954084 .
- ^ 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 . дои : 10.1103/PhysRevB.86.115208 . S2CID 119109505 .
- ^ 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 .
- ^ Силаев, М.А. (2012). «Топологические дуги Ферми в сверхтекучести» . Физический обзор B . 86 (21): 214511. arXiv : 1209.3368 . Бибкод : 2012PhRvB..86u4511S . дои : 10.1103/PhysRevB.86.214511 . S2CID 118352190 .
- ^ 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 . дои : 10.1038/ncomms8373 . ПМЦ 4490374 . ПМИД 26067579 .
- ^ Венг, Х.; Фанг, К.; Фанг, З.; Берневиг, А.; Дай, X. (2015). «Полуметаллическая фаза Вейля в нецентросимметричных монофосфидах переходных металлов». Физ. X. Ред . 5 (1): 011029. arXiv : 1501.00060 . Бибкод : 2015PhRvX...5a1029W . дои : 10.1103/PhysRevX.5.011029 . S2CID 15298985 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМИД 26184914 . S2CID 11725179 .
- ^ 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 .
- ^ Воловик, Г.Е. (2009). Вселенная в капле гелия . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-956484-2 . OCLC 519697958 .
- ^ Ли, Жилин; Чен, Хунсян; Цзинь, Шифэн; Ган, Ди; Ван, Вэньцзюнь; Го, Ливэй; Чен, Сяолун (2016). «Полуметалл Вейля TaAs: рост кристаллов, морфология и термодинамика». Крист. Рост Дес . 16 (3): 1172–1175. дои : 10.1021/acs.cgd.5b01758 .
- ^ Дулал, Раджендра П.; Дахал, Бишну; Форбс, Эндрю; Бхаттараи, Нирадж (2019). «Слабая локализация и малая аномальная холловская проводимость в ферромагнитном полуметалле Вейля Co 2 TiGe» . Научные отчеты . 9 (1): 3342. Бибкод : 2019НатСР...9.3342Д . дои : 10.1038/s41598-019-39037-0 . ПМК 6399263 . ПМИД 30833580 .
- ^ 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 .
- ^ Шекхар, К.; и др. (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 .
- ^ 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 .
- ^ Джош Габбатисс (21 декабря 2017 г.). «Учёные открывают совершенно новый материал, который не может быть объяснен классической физикой» . Независимый . Проверено 22 мая 2019 г.
- ^ Бостонский колледж (4 марта 2019 г.). «Хиральность дает колоссальный фототок» . физ.орг . Проверено 22 мая 2019 г.