WikiDer > Полуметалл Вейля - Википедия

Weyl semimetal - Wikipedia

Фермионы Вейля безмассовые хиральный фермионы воплощение математической концепции Спинор Вейля. В свою очередь, спиноры Вейля играют важную роль в квантовая теория поля и Стандартная модель, где они являются строительным материалом для фермионов в квантовой теории поля. Спиноры Вейля - это решение Уравнение Дирака полученный Герман Вейль, называется Уравнение Вейля.[1] Например, половина заряженного Фермион Дирака определенного хиральность является фермионом Вейля.[2]

Фермионы Вейля могут быть реализованы как эмерджентные квазичастицы в системе конденсированного состояния с низкой энергией. Этот прогноз был впервые предложен Коньерс Херринг в 1937 г. в контексте электронные зонные структуры твердотельных систем, таких как электронные кристаллы.[3][4] Топологические материалы вблизи перехода с инверсией зон стали основной целью поиска топологически защищенных объемных переходов электронных зон.[5]

Первое (неэлектронное) жидкое состояние, которое предлагается, имеет аналогичным образом возникающее, но нейтральное возбуждение и теоретически интерпретируется сверхтекучийс хиральная аномалия как наблюдение Точки Ферми в Гелий-3 Сверхтекучая фаза.[6][неосновной источник необходим] Кристаллический арсенид тантала (TaAs) - первый открытый топологический Полуметалл фермион Вейля который показывает топологическую поверхность Дуги Ферми где фермион Вейля электрически заряжен в соответствии с первоначальным предположением Херринга.[4][7] Электронный фермион Вейля не только заряжен, но и стабилен при комнатной температуре, где не известно о таком сверхтекучем или жидком состоянии.[нужна цитата]

Схема полуметаллического состояния Вейля, включающего узлы Вейля и дуги Ферми. Узлы Вейля являются монополями и антимонополями импульсного пространства. Эскиз адаптирован из Ref.[8]

Экспериментальное наблюдение

А Полуметалл Вейля твердое состояние кристалл низкоэнергетические возбуждения которых представляют собой фермионы Вейля, несущие электрический заряд даже при комнатных температурах.[9][10][11] Полуметалл Вейля позволяет реализовать фермионы Вейля в электронных системах.[7] Это топологически нетривиальная фаза вещества вместе со сверхтекучей фазой гелия-3 A, которая расширяет топологическую классификацию за пределы топологических изоляторов.[12] Фермионы Вейля при нулевой энергии соответствуют точкам вырождения объемных зон, узлам Вейля (или точкам Ферми), которые разделены на импульсное пространство. Фермионы Вейля имеют различную хиральность, левую или правую.

В полуметаллическом кристалле Вейля хиральности, связанные с узлами Вейля (точками Ферми), можно понимать как топологические заряды, приводящие к монополи и антимонополи Кривизна ягод в импульсное пространство, которые (расщепление) служат топологическим инвариантом этой фазы.[9] Сравнимо с фермионами Дирака в графен или на поверхности топологические изоляторы, Фермионы Вейля в полуметалле Вейля являются наиболее устойчивыми электронами и не зависят от симметрии кроме симметрия перевода кристаллической решетки. Следовательно, фермион Вейля квазичастицы в полуметалле Weyl обладают высокой степенью подвижности. Ожидается, что из-за нетривиальной топологии полуметалл Вейля будет демонстрировать Дуга Ферми электронные состояния на его поверхности.[7][9] Эти дуги являются разрывными или непересекающимися сегментами двумерного контура Ферми, которые заканчиваются на проекциях узлов фермионов Вейля на поверхность. Теоретическое исследование сверхтекучего гелия-3 в 2012 г.[13] предложил дуги Ферми в нейтральных сверхтекучих жидкостях.

Изображение детектора (вверху) сигнализирует о существовании фермионных узлов Вейля и дуг Ферми.[7] Знаки плюс и минус указывают на хиральность частицы. Схема (внизу) показывает, как фермионы Вейля внутри кристалла можно рассматривать как монополь и антимонополь в импульсном пространстве. (Изображение Су-Ян Сюй и М. Захид Хасан)

16 июля 2015 г. были проведены первые экспериментальные наблюдения полуметалла фермиона Вейля и топологических дуг Ферми в монокристаллическом материале арсенида тантала (TaAs), нарушающем инверсию симметрии.[7] Как фермионы Вейля, так и поверхностные состояния дуги Ферми наблюдались с помощью прямого электронного изображения с использованием ARPES, что впервые установило его топологический характер.[7] Это открытие было основано на предыдущих теоретических предсказаниях, предложенных в ноябре 2014 года группой во главе с бангладешским ученым. М. Захид Хасан.[14][15]

Точки Вейля (точки Ферми) также наблюдались в неэлектронных системах, таких как фотонные кристаллы, фактически еще до их экспериментального наблюдения в электронных системах.[16][17][18] и спектр сверхтекучих квазичастиц гелия-3 (нейтральные фермионы).[19] Обратите внимание: хотя эти системы отличаются от электронных систем с конденсированным веществом, основная физика очень похожа.

Рост, структура и морфология кристаллов

TaAs - первый обнаруженный полуметалл (проводник) Вейля. Крупногабаритные (~ 1 см) высококачественные монокристаллы TaAs[20] может быть получен методом химического переноса пара с использованием йода в качестве переносчика.

TaAs кристаллизуется в Телоцентрированный тетрагональный элементарная ячейка с постоянные решетки a = 3,44 Å и c = 11,64 Å и космическая группа I41md (№ 109). Атомы Ta и As координированы друг с другом по шесть штук. 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 - это {001}, трапециевидные или равнобедренные треугольные поверхности - {101} и прямоугольные {112}. TaAs принадлежит точечная группа 4 мм, эквивалентные плоскости {101} и {112} должны иметь двухугольный вид. Наблюдаемая морфология может варьироваться от вырожденных случаев идеальной формы.

Приложения

Фермионы Вейля в объеме и дуги Ферми на поверхности полуметаллов Вейля представляют интерес для физики и материаловедения.[1][21] Высокая подвижность заряженных фермионов Вейля может найти применение в электронике и вычислительной технике.

В 2017 г.[22], исследовательская группа из Венского технологического университета, выполняющая экспериментальные работы по разработке новых материалов, и группа из Университета Райса, выполняющая теоретические работы, создали материал, который они называют полуметаллами Вейля-Кондо.[23]

Группа международных исследователей во главе с командой из Бостонского колледжа в 2019 году обнаружила, что полуметаллический танталовый арсенид Weyl обеспечивает самое большое внутреннее преобразование света в электричество из всех материалов, более чем в десять раз превышающее ранее достигнутый.[24]

дальнейшее чтение

  • Джонстон, Хэмиш (23 июля 2015 г.). "Фермионы Вейля наконец-то заметили". Мир физики. Получено 22 ноября 2018.
  • Сьюдад, Давид (20 августа 2015 г.). «Безмассовый, но реальный». Материалы Природы. 14 (9): 863. Дои:10.1038 / nmat4411. ISSN 1476-1122. PMID 26288972.
  • Цзя, Шуанг; Сюй, Су-Ян; Хасан, М. Захид (25 октября 2016 г.). «Полуметаллы Вейля, дуги Ферми и киральная аномалия». Материалы Природы. 15: 1140. arXiv:1612.00416. Дои:10.1038 / nmat4787.

Рекомендации

  1. ^ а б Джонстон, Хэмиш (2015). "Фермионы Вейля наконец-то заметили". Мир физики.
  2. ^ Вейль, Х. (1929). «Электрон и гравитация. Я». Z. Phys. 56 (5–6): 330–352. Bibcode:1929ZPhy ... 56..330Вт. Дои:10.1007 / bf01339504.
  3. ^ Херринг, К. (1937). «Случайное вырождение в энергетических зонах кристаллов». Phys. Rev. 52 (4): 365–373. Bibcode:1937PhRv ... 52..365H. Дои:10.1103 / Physrev.52.365.
  4. ^ а б Вишванат, Ашвин (2015-09-08). "Где твари Вейля". APS Physics. 8.
  5. ^ 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, Дои:10.1002 / 9783527681594.ch4, ISBN 978-3-527-68159-4, получено 2020-04-27
  6. ^ Bevan, T. D. C .; Manninen, A.J .; Cook, J. B .; Крюк, J. R .; Hall, H.E .; Vachaspati, T .; Воловик, Г. Э. (1997-04-17). «Создание импульса вихрями в сверхтекучем 3He как модель первичного бариогенеза». Природа. 386 (6626): 689–692. arXiv:cond-mat / 9611164. Bibcode:1997Натура.386..689Б. Дои:10.1038 / 386689a0.
  7. ^ а б c d е ж Xu, S.-Y .; Белопольский, И .; Alidoust, N .; Neupane, M .; Bian, G .; Zhang, C .; Sankar, R .; Chang, G .; Юань, З .; Lee, C.-C .; Huang, S.-M .; Zheng, H .; Ma, J .; Sanchez, D. S .; Wang, B.K .; Bansil, A .; Chou, F.-C .; Шибаев, П.П .; Lin, H .; Jia, S .; Хасан, М. З. (2015). «Открытие полуметалла Фермиона Вейля и топологических дуг Ферми». Наука. 349 (6248): 613–617. arXiv:1502.03807. Bibcode:2015Научный ... 349..613X. Дои:10.1126 / science.aaa9297. PMID 26184916.
  8. ^ Баленц, Л. (2011). «Поцелуй электронов Вейля». Физика. 4: 36. Bibcode:2011PhyOJ ... 4 ... 36B. Дои:10.1103 / Physics.4.36.
  9. ^ а б c Ван, X .; Тернер, А. М .; Вишванатх, А .; Саврасов С.Ю. (2011). «Топологические полуметаллы и поверхностные состояния ферми-дуги в электронной структуре пирохлорных иридатов». Phys. Ред. B. 83 (20): 205101. arXiv:1007.0016. Bibcode:2011PhRvB..83t5101W. Дои:10.1103 / Physrevb.83.205101.
  10. ^ Бурков, А. А .; Баленц, Л. (2011). "Полиметалл Вейля в многослойном топологическом изоляторе". Phys. Rev. Lett. 107 (12): 127205. arXiv:1105.5138. Bibcode:2011ПхРвЛ.107л7205Б. Дои:10.1103 / Physrevlett.107.127205. PMID 22026796.
  11. ^ Сингх, Бахадур; Шарма, Ашутош; Lin, H .; Hasan, M. Z .; Prasad, R .; Бансил, А. (18.09.2012). "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.
  12. ^ Мураками, С. (2007). «Фазовый переход между квантовыми спиновыми холловскими и диэлектрическими фазами в 3D: возникновение топологической бесщелевой фазы». Новый J. Phys. 9 (9): 356. arXiv:0710.0930. Bibcode:2007NJPh .... 9..356M. Дои:10.1088/1367-2630/9/9/356.
  13. ^ Силаев, М.А. (2012). «Топологические дуги Ферми в сверхтекучей жидкости». Физический обзор B. 86 (21): 214511. arXiv:1209.3368. Bibcode:2012PhRvB..86u4511S. Дои:10.1103 / PhysRevB.86.214511.
  14. ^ Huang, S.-M .; Xu, S.-Y .; Белопольский, И .; Lee, C.-C .; Chang, G .; Wang, B.K .; Alidoust, N .; Bian, G .; Neupane, M .; Zhang, C .; Jia, S .; Bansil, A .; Lin, H .; Хасан, М. З. (2015). «Фермионный полуметалл Вейля с поверхностными дугами Ферми в классе монопниктидов переходных металлов TaAs». Nature Communications. 6: 7373. Bibcode:2015 НатКо ... 6.7373H. Дои:10.1038 / ncomms8373. ЧВК 4490374. PMID 26067579.
  15. ^ Weng, H .; Fang, C .; Fang, Z .; Bernevig, A .; Дай, X. (2015). «Полуметаллическая фаза Вейля в нецентросимметричных монофосфидах переходных металлов». Phys. Ред. X. 5 (1): 011029. arXiv:1501.00060. Bibcode:2015PhRvX ... 5a1029W. Дои:10.1103 / PhysRevX.5.011029.
  16. ^ Lu, L .; Fu, L .; Joannopoulos, J .; Солячич, М. (2013). «Точки Вейля и узлы линий в гироидных фотонных кристаллах». Природа Фотоника. 7 (4): 294–299. arXiv:1207.0478. Bibcode:2013НаФо ... 7..294л. Дои:10.1038 / nphoton.2013.42.
  17. ^ Lu, L .; Wang, Z .; Ye, D .; Fu, L .; Joannopoulos, J .; Солячич, М. (2015). «Экспериментальное наблюдение точек Вейля». Наука. 349 (6248): 622–624. arXiv:1502.03438. Bibcode:2015Научный ... 349..622L. Дои:10.1126 / science.aaa9273. PMID 26184914.
  18. ^ Но, Джихо; Хуанг, Шэн; Лейкам, Даниэль; Чонг, Идун; Чен, Кевин; Рехцман, Микаэль (2017). «Экспериментальное наблюдение оптических точек Вейля и состояний поверхности дуги Ферми». Природа Физика. 13 (6): 611–617. arXiv:1610.01033. Bibcode:2017НатФ..13..611Н. Дои:10.1038 / nphys4072.
  19. ^ Воловик, Г. Э. (2009). Вселенная в капле гелия. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-956484-2. OCLC 519697958.
  20. ^ Ли, Жилин; Чен, Хунсян; Джин, Шифэн; Ган, Ди; Ван, Вэньцзюнь; Го, Ливэй; Чен, Сяолун (2016). "Weyl Semimetal TaAs: рост кристаллов, морфология и термодинамика". Cryst. Рост Des. 16 (3): 1172–1175. Дои:10.1021 / acs.cgd.5b01758.
  21. ^ Shekhar, C .; и другие. (2015). «Чрезвычайно большое магнитосопротивление и сверхвысокая подвижность в топологическом полуметалле Вейля - кандидате NbP». Природа Физика. 11 (8): 645–649. arXiv:1502.04361. Bibcode:2015НатФ..11..645С. Дои:10.1038 / nphys3372.
  22. ^ Лай, Синь-Хуа; Грефе, Сара Э .; Пашен, Силке; Си, Цимиао (18 декабря 2017 г.). «Полуметалл Вейля – Кондо в системах с тяжелыми фермионами». Труды Национальной академии наук. 115 (1): 93–97. Bibcode:2018ПНАС..115 ... 93Л. Дои:10.1073 / пнас.1715851115. ISSN 0027-8424. ЧВК 5776817. PMID 29255021.
  23. ^ Джош Габбатисс (21 декабря 2017 г.). «Ученые открывают совершенно новый материал, который не может быть объяснен классической физикой». Независимый. Получено 22 мая 2019.
  24. ^ Бостонский колледж (4 марта 2019 г.). «Хиральность дает колоссальный фототок». Phys.org. Получено 22 мая 2019.