Forskare vid MIPT har undersökt beteendet hos Weyl -partiklar som är fångade på ytan av Weyl -halvmetaller. Deras studie publicerades i den prestigefyllda sektionen Rapid Communications of Fysisk granskning B .

Weylpartikeln - eller Weyl -fermionen, att använda en mer exakt term - förutspåddes i början av 1900 -talet av Hermann Weyl, en tysk fysiker. Trots hans tidiga förutsägelse och enorma ansträngningar riktade mot sökandet efter den illusiva Weyl -partikeln, det upptäcktes bara experimentellt under 2015. I motsats till förväntningarna, Weyl observerades inte i en jättekollider, men i små kristaller, som kom att kallas Weyl -halvmetaller. Dessa material har sedan väckt stor uppmärksamhet, vilket gör detta forskningsområde till ett av de hetaste inom modern fysik.

Weylhalvmetaller kan betraktas som en 3D-ekvivalent av grafen, 2-D-kristallen med unika egenskaper som upptäcktes av MIPT-akademikerna Andre Geim och Konstantin Novoselov, som tilldelades Nobelpriset i fysik 2010. Elektroner i grafen och Weyl -halvmetaller beter sig som masslösa partiklar som liknar fotoner. Dock, till skillnad från fotoner, dessa partiklar har en elektrisk laddning, vilket gör dem lovande för tillämpningar inom elektronik. Som det visar sig, elektronernas bisarra egenskaper i denna typ av material kan beskrivas i termer av topologisk fältteori. Nobelpriset i fysik 2016 tilldelades forskare som introducerade topologiska begrepp i kondenserad tillståndsfysik.

I en teoretisk studie övervakad av MIPT:s professor Vladimir Volkov, Zhanna Devizorova, en doktorsexamen student på MIPT, tittade på yttillstånd för Weyl fermioner, d.v.s. hur elektroner beter sig nära ytan av en Weyl -halvmetallkristall. Elektronernas speciella tillstånd nära ytan av en kristall, känd som elektroniska yttillstånd, förutspåddes på 1930 -talet av framtida nobelprisvinnare Igor Tamm (USSR) och William Shockley (USA), som föreslog och studerade de första teoretiska modellerna av dessa tillstånd. Dock, det var inte förrän nyligen som ytstaterna uppmärksammades av forskare. Den praktiska betydelsen av detta forskningsområde bevisas av det faktum att modern mikroelektronik som använder kisel är universellt baserad på nära-ytledande kanaler. Dock, kisel i sig är inte ett topologiskt material.

Varje partikels beteende under ett yttre fält bestäms av dispersionslagen som relaterar partikelns energi till dess momentum. Enligt spridningslagen, energispektrumet för elektroner i en kristall definierar sådana elektroniska egenskaper som konduktivitet. Bulk -energispektrumet för elektroner i en Weyl -halvmetal beskrivs av en uppsättning som består av ett jämnt antal Weyl -kottar, eller dalar, centrerad på speciella punkter i momentumutrymmet.

Ytan på en sådan kristall har anmärkningsvärda egenskaper. Weyl -halvmetaller kännetecknas av varumärkes energispektrum för partiklar som fyller deras yttillstånd. I dessa exotiska spektra, kurvorna som representerar stater med lika energi är icke slutna och visas som bågar på tvådimensionellt momentum. Dessa så kallade Fermi-bågar förbinder punkter i elektronspektrumet som tillhör olika Weyl-kottar. Till skillnad från Weyl fermioner, vanliga elektroner kännetecknas av slutna Fermi -kurvor i form av en cirkel. Tills nu, alla teoretiska beskrivningar av Fermi -bågar har förlitat sig på komplicerade och dunkla datorberäkningar baserade på första principer.

De MIPT-baserade forskarna utnyttjade det faktum att Weyl fermioner som ligger bort från kristallens yta följer Weyls differentialekvationer för att härleda de gränsförhållanden som framgångsrikt står för intervallinteraktioner på halvmetallyta. De löste systemet med Weyls ekvationer för två dalar "för hand, "med beaktande av de härledda gränsvillkoren, därmed analytiskt hitta formen på Fermi bågar. I själva verket, de erbjöd en kvantitativ såväl som kvalitativ beskrivning av experimentella data, och bevisade att Fermi -bågformation huvudsakligen drivs av stark intervallinteraktion under Weyl fermions spridning på kristallytan.

Det är tänkbart att Weyl halvmetaller kan möjliggöra ultrasnabb elektronik. Teoretiska forskare undersöker för närvarande principer som lägger grunden för nästa generations elektroniska enheter baserade på Weyl-halvmetaller. Denna analytiska metod är ett relativt enkelt sätt att redovisa påverkan av elektriska och magnetiska fält på Weyl fermioner. Den heuristiska potentialen i detta tillvägagångssätt kan avsevärt underlätta framsteg mot snabbare och effektivare elektronik.