Weyl-halvmetaller är en ny typ av material mellan ledare och isolatorer. Nytt arbete från UC Davis och kinesiska forskare visar att tvådimensionella nanobälten av niobarsenid kan visa mycket hög konduktivitet. På vänster, överföring EM av niobiumarsenid nanobälten tillverkade på labbet; den högra bilden är en skannings-EM med högre förstoring som visar den vanliga ytstrukturen. Elektrisk ström kan flyta lätt på grund av nanomaterialets kvantegenskaper. Kredit:Sergey Savrasov, UC Davis
Forskare i Kina och vid UC Davis har mätt hög ledningsförmåga i mycket tunna lager av niobiumarsenid, en typ av material som kallas en Weyl-halvmetall. Materialet har ungefär tre gånger så hög ledningsförmåga som koppar vid rumstemperatur, sa Sergey Savrasov, professor i fysik vid UC Davis. Savrasov är medförfattare till tidningen publicerad 18 mars i Naturmaterial .
Nya material som leder elektricitet är av stort intresse för fysiker och materialvetare, både för grundforskning och för att de skulle kunna leda till nya typer av elektroniska apparater.
Savrasov arbetar med teoretisk kondenserad materiens fysik. Med andra, han föreslog att det skulle finnas Weyl-halvmetaller 2011. Det kinesiska teamet kunde tillverka och testa små bitar, kallas nanobälten, av niobarsenid, bekräftar teorins förutsägelser. Nanobältena är så tunna att de i huvudsak är tvådimensionella.
"En Weyl-halvmetall är inte en ledare eller en isolator, men något däremellan, sa Savrasov. Niobiumarsenid, till exempel, är en dålig ledare i bulk men har en metallisk yta som leder elektricitet. Ytan är topologiskt skyddad, vilket innebär att den inte kan ändras utan att förstöra bulkmaterialet.
Med de flesta material, ytor kan förändras kemiskt eftersom de tar upp föroreningar från miljön. Dessa föroreningar kan störa konduktiviteten. Men topologiskt skyddade ytor avvisar dessa föroreningar.
"I teorin förväntar vi oss att Weyl-ytor är bra ledare eftersom de inte tolererar föroreningar, sa Savrasov.
Om du tänker på elektroner som flödar genom material, föreställ dig att de studsar av eller sprider sig från föroreningar. På kvantnivå, ett ledande material har en Fermi-yta som beskriver alla kvantenergitillstånd som elektroner kan uppta. Denna Fermi-yta påverkar materialets konduktivitet.
Nanobältena som testades i dessa experiment hade en begränsad Fermi-yta eller Fermi-båge, vilket betyder att elektroner bara kan spridas till ett begränsat antal kvanttillstånd.
"Fermibågen begränsar tillstånden som elektroner kan studsa tillbaka till, därför är de inte spridda, sa Savrasov.
Material som är mycket ledande i mycket små skalor kan vara användbara eftersom ingenjörer strävar efter att bygga mindre och mindre kretsar. Mindre elektriskt motstånd innebär att mindre värme genereras när ström passerar igenom.
