Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Фермионы Вейля - это безмассовые киральные фермионы, воплощающие математическую концепцию спинора Вейля . В свою очередь, спиноры Вейля играют важную роль в квантовой теории поля и Стандартной модели , где они являются строительным блоком для фермионов в квантовой теории поля. Спиноры Вейля являются решением уравнения Дирака, полученного Германом Вейлем , которое называется уравнением Вейля . [1] Например, половина заряженного фермиона Дирака определенной киральности является фермионом Вейля. [2]

Фермионы Вейля могут быть реализованы как эмерджентные квазичастицы в низкоэнергетической системе конденсированного состояния. Это предсказание было впервые предложено Коньерсом Херрингом в 1937 году в контексте электронных зонных структур твердотельных систем, таких как электронные кристаллы. [3] [4] Топологические материалы вблизи перехода с инверсией зон стали основной целью при поиске топологически защищенных пересечений электронных зон в объеме. [5]

Первое (неэлектронное) жидкое состояние , которое предполагается, имеет аналогичный образ, но возникающий нейтральное возбуждение и теоретически интерпретировать сверхтекучую «с хиральной аномалией , как наблюдение Ферми точек в гелии-3 сверхтекучей фаза. [6] [ Необходим непервичный источник ] Кристаллический арсенид тантала (TaAs) - первый обнаруженный топологический полуметалл фермиона Вейля, который демонстрирует топологические поверхностные 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. [ необходима 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 [ править ]

Вейль полуметалла представляет собой твердотельный кристалл которого низкая энергия возбуждения являются вейлевские фермионы , которые несут электрический заряд даже при комнатной температуре. [9] [10] [11] Полуметалл Вейля позволяет реализовать фермионы Вейля в электронных системах. [7] Это топологически нетривиальная фаза вещества, вместе со сверхтекучей фазой гелия-3 А, которая расширяет топологическую классификацию за пределы топологических изоляторов. [12] Фермионы Вейля при нулевой энергии соответствуют точкам вырождения объемной зоны, узлам Вейля (или точкам Ферми), которые разделены в импульсном пространстве . 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 монополям и антимонополям кривизны Берри в импульсном пространстве , которые (расщепление) служат топологическим инвариантом этого фаза. [9] 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 симметрий, за исключением трансляционной симметрии кристаллической решетки. Следовательно, квазичастицы фермионов Вейляв полуметалле Weyl обладают высокой степенью подвижности. Ожидается, что из-за нетривиальной топологии полуметалл Вейля будет демонстрировать электронные состояния дуги Ферми на своей 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] предложило 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. На схеме (внизу) показано, как фермионы Вейля внутри кристалла можно рассматривать как монопольные и антимонопольные 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 отображения с использованием ARPES , который впервые установил его топологический характер. [7] Это открытие было основано на предыдущих теоретических предсказаниях, предложенных в ноябре 2014 года группой во главе с бангладешским ученым М. Захидом Хасаном . [14] [15]

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

Рост, структура и морфология кристаллов [ править ]

TaAs - первый обнаруженный полуметалл (проводник) Вейля. Высококачественные монокристаллы TaAs большого размера (~ 1 см) [20] могут быть получены методом химического паропереноса с использованием иода в качестве транспортного агента.

TaAs кристаллизуется в объемноцентрированной тетрагональной элементарной ячейке с постоянными решетки a = 3,44 Å, c = 11,64 Å и пространственной группой 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 - {001}, трапециевидные или равнобедренные треугольные поверхности - {101}, а прямоугольные - {112}. TaAs принадлежит точечной группе 4 мм, эквивалентные плоскости {101} и {112} должны образовывать дтетрагональный 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 Co2TiGe, MoTe2, WTe2, LaAlGe, PrAlGe, демонстрируют полуметаллическое поведение Вейля [21] [22]

Приложения [ править ]

Фермионы Вейля в объеме и дуги Ферми на поверхности полуметаллов Вейля представляют интерес для физики и материаловедения. [1] [23] Высокая подвижность заряженных фермионов Вейля может найти применение в электронике и вычислительной технике.

В 2017 году [24] исследовательская группа из Венского технологического университета, выполняющая экспериментальные работы по разработке новых материалов, и группа из Университета Райса, выполняющая теоретические работы, произвели материал, который они назвали полуметаллами Вейля-Кондо. [25]

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 больше, чем достигалось ранее. [26]

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Джонстон, Хэмиш (23 июля 2015 г.). «Фермионы Вейля наконец-то обнаружены» . Мир физики . Проверено 22 ноября 2018 года .
  • Сьюдад, Давид (20 августа 2015 г.). «Безмассовый, но реальный». Материалы природы . 14 (9): 863. DOI : 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 (11): 1140–1144. arXiv : 1612.00416 . Bibcode : 2016NatMa..15.1140J . DOI : 10.1038 / nmat4787 . PMID  27777402 . S2CID  1115349 .

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Джонстон, Хэмиш (2015). «Фермионы Вейля наконец-то обнаружены» . Мир физики .
  2. ^ Вейль, Х. (1929). «Электрон и гравитация. Я». Z. Phys . 56 (5–6): 330–352. Bibcode : 1929ZPhy ... 56..330W . DOI : 10.1007 / bf01339504 . S2CID 186233130 . 
  3. Перейти ↑ Herring, C. (1937). «Случайное вырождение в энергетических зонах кристаллов». Phys. Ред . 52 (4): 365–373. Bibcode : 1937PhRv ... 52..365H . DOI : 10.1103 / Physrev.52.365 .
  4. ^ a b Вишванат, Ашвин (2015-09-08). «Где вещи Вейля» . APS Physics . 8 : 84. Bibcode : 2015PhyOJ ... 8 ... 84V . DOI : 10.1103 / Physics.8.84 .
  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, DOI : 10.1002 / 9783527681594.ch4 , ISBN 978-3-527-68159-4, дата обращения 27.04.2020
  6. ^ Беван, TDC; Маннинен, AJ; Кук, JB; Крюк, младший; Холл, ОН; Vachaspati, T .; Воловик, Г.Е. (17.04.1997). «Создание импульса вихрями в сверхтекучем 3He как модель первичного бариогенеза». Природа . 386 (6626): 689–692. arXiv : cond-mat / 9611164 . Bibcode : 1997Natur.386..689B . DOI : 10.1038 / 386689a0 . S2CID 4315194 . 
  7. ^ a b c d e f 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 .; Санчес, Д.С. Ван, Б.К .; Bansil, A .; Chou, F.-C .; Шибаев, ПП; Lin, H .; Jia, S .; Хасан, МЗ (2015). «Открытие полуметалла Фермиона Вейля и топологических дуг Ферми» . Наука . 349 (6248): 613–617. arXiv : 1502.03807 . Bibcode : 2015Sci ... 349..613X . DOI : 10.1126 / science.aaa9297 . PMID 26184916 . S2CID  206636457 .
  8. ^ Balents, L. (2011). «Поцелуй электронов Вейля» . Физика . 4 : 36. Bibcode : 2011PhyOJ ... 4 ... 36B . DOI : 10.1103 / Physics.4.36 .
  9. ^ a b c Ван, X .; Тернер, AM; Вишванатх, А .; Саврасов С.Ю. (2011). «Топологические полуметаллы и поверхностные состояния ферми-дуги в электронной структуре пирохлорных иридатов». Phys. Rev. B . 83 (20): 205101. arXiv : 1007.0016 . Bibcode : 2011PhRvB..83t5101W . DOI : 10.1103 / Physrevb.83.205101 .
  10. ^ Бурков, АА; Баленц, Л. (2011). "Полиметалл Вейля в многослойном топологическом изоляторе". Phys. Rev. Lett . 107 (12): 127205. arXiv : 1105.5138 . Bibcode : 2011PhRvL.107l7205B . DOI : 10.1103 / physrevlett.107.127205 . PMID 22026796 . S2CID 12954084 .  
  11. ^ Сингх, Бахадур; Шарма, Ашутош; Lin, H .; Хасан, МЗ; Prasad, R .; Бансил, А. (18.09.2012). «Топологическая электронная структура и полуметалл Вейля в классе полупроводников TlBiSe $ {} _ {2} $» . Physical Review B . 86 (11): 115208. arXiv : 1209.5896 . DOI : 10.1103 / PhysRevB.86.115208 . S2CID 119109505 . 
  12. Перейти ↑ Murakami, S. (2007). «Фазовый переход между квантовой спиновой холловской и диэлектрической фазами в 3D: возникновение топологической бесщелевой фазы». New J. Phys . 9 (9): 356. arXiv : 0710.0930 . Bibcode : 2007NJPh .... 9..356M . DOI : 10,1088 / 1367-2630 / 9/9/356 . S2CID 13999448 . 
  13. ^ Силаев, М.А. (2012). «Топологические дуги Ферми в сверхтекучей жидкости» . Physical Review B . 86 (21): 214511. arXiv : 1209.3368 . Bibcode : 2012PhRvB..86u4511S . DOI : 10.1103 / PhysRevB.86.214511 . S2CID 118352190 . 
  14. ^ Хуанг, С.-М .; Xu, S.-Y .; Белопольский, И .; Lee, C.-C .; Chang, G .; Ван, Б.К .; Alidoust, N .; Bian, G .; Neupane, M .; Zhang, C .; Jia, S .; Bansil, A .; Lin, H .; Хасан, МЗ (2015). «Фермионный полуметалл Вейля с поверхностными дугами Ферми в классе монопниктидов переходных металлов TaAs» . Nature Communications . 6 : 7373. Bibcode : 2015NatCo ... 6.7373H . DOI : 10.1038 / ncomms8373 . PMC 4490374 . PMID 26067579 .  
  15. ^ Weng, H .; Fang, C .; Fang, Z .; Bernevig, A .; Дай, X. (2015). «Полуметаллическая фаза Вейля в нецентросимметричных монофосфидах переходных металлов». Phys. Rev. X . 5 (1): 011029. arXiv : 1501.00060 . Bibcode : 2015PhRvX ... 5a1029W . DOI : 10.1103 / PhysRevX.5.011029 . S2CID 15298985 . 
  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 : 2013NaPho ... 7..294L . DOI : 10.1038 / nphoton.2013.42 . S2CID 5144108 . 
  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 : 2015Sci ... 349..622L . DOI : 10.1126 / science.aaa9273 . PMID 26184914 . S2CID 11725179 .  
  18. ^ Но, Джихо; Хуанг, Шэн; Лейкам, Даниэль; Чонг, Идун; Чен, Кевин; Рехцман, Микаэль (2017). «Экспериментальное наблюдение оптических точек Вейля и состояний поверхности дуги Ферми». Физика природы . 13 (6): 611–617. arXiv : 1610.01033 . Bibcode : 2017NatPh..13..611N . DOI : 10.1038 / nphys4072 . S2CID 45026039 . 
  19. Перейти ↑ Volovik, GE (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. DOI : 10.1021 / acs.cgd.5b01758 .
  21. ^ Дулал, Раджендра П .; Дахал, Бишну; Forbes, Эндрю; Бхаттарай, Нирадж (2019). «Слабая локализация и малая аномальная холловская проводимость в ферромагнитном полуметалле Вейля Co 2 TiGe» . Научные отчеты . 9 (1): 3342. Bibcode : 2019NatSR ... 9.3342D . DOI : 10.1038 / s41598-019-39037-0 . PMC 6399263 . PMID 30833580 .  
  22. ^ Bhattarai, Niraj (2020). «Транспортные характеристики тонких пленок полуметалла Вейля типа II MoTe 2, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы». Журнал материаловедения . 35 (5): 454–461. arXiv : 2001.01703 . Bibcode : 2020JMatR..35..454B . DOI : 10,1557 / jmr.2019.320 . S2CID 209862800 . 
  23. ^ Shekhar, C .; и другие. (2015). «Чрезвычайно большое магнитосопротивление и сверхвысокая подвижность в топологическом полуметалле Вейля - кандидате NbP». Физика природы . 11 (8): 645–649. arXiv : 1502.04361 . Bibcode : 2015NatPh..11..645S . DOI : 10.1038 / nphys3372 . S2CID 119282987 . 
  24. ^ 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 : 2018PNAS..115 ... 93Л . DOI : 10.1073 / pnas.1715851115 . ISSN 0027-8424 . PMC 5776817 . PMID 29255021 .   
  25. ^ Josh Gabbatiss (21 декабря 2017). «Ученые открывают совершенно новый материал, который не может быть объяснен классической физикой» . Независимый . Дата обращения 22 мая 2019 .
  26. ↑ Бостонский колледж (4 марта 2019 г.). «Хиральность дает колоссальный фототок» . Phys.org . Дата обращения 22 мая 2019 .