Ученые из МФТИ объяснили «танцы» вейлевских частиц на поверхности кристаллов
9 минут
ФизТех

Ученые из МФТИ объяснили «танцы» вейлевских частиц на поверхности кристаллов

Сделан еще один шаг на пути к созданию сверхбыстрой электроники.

Электронный спектр в объеме вейлевского полуметалла описывается совокупностью четного числа конусов («долин»), центрированных в особых точках импульсного пространства (в таких конических точках скрыта нетривиальная топология, и их называют также «дьявольскими»)
Электронный спектр в объеме вейлевского полуметалла описывается совокупностью четного числа конусов («долин»), центрированных в особых точках импульсного пространства (в таких конических точках скрыта нетривиальная топология, и их называют также «дьявольскими») / Пресс-служба МФТИ

Ученые из МФТИ исследовали поведение вейлевских частиц, захваченных на поверхность полуметаллов Вейля. Соответствующая статья была опубликована в Physical Review В в престижном разделе Rapid Communications.

Существование вейлевских фермионов (таково строгое название вейлевских частиц) было предсказано еще в начале XX века немецким физиком Германом Вейлем, описавшим поведение безмассовых частиц с полуцелым спином. Но титанические усилия по их обнаружению в природе долгое время были безуспешными. Лишь в 2015 году их удалось обнаружить опытным путем, и не в огромных коллайдерах, как ожидалось, а в миниатюрных кристаллах, получивших название вейлевских полуметаллов. Исследования этих материалов стремительно развиваются и являются одной из самых «горячих» точек современной физики.

Вейлевский полуметалл считается трехмерным аналогом графена, двумерного кристалла с уникальными свойствами, за открытие которого выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году. Электроны в графене и полуметаллах Вейля – это безмассовые частицы, подобные фотонам, но, в отличие от последних, они обладают электрическим зарядом, с чем связаны перспективы их применения в электронике.

Важно, что свойства электронов в этих и ряде других материалов обладают, как недавно выяснилось, качественно новыми особенностями, описываемыми топологической теорией. Речь в ней идет, в частности, о топологических фазовых переходах, в которых происходят какие-либо изменения с точки зрения топологии, то есть непрерывности. Кстати, за внедрение общих топологических представлений в физику конденсированного состояния группа ученых также получила Нобелевскую премию по физике в 2016 году.

В теоретическом исследовании, проведенном аспирантом МФТИ Жанной Девизоровой под руководством профессора института Владимира Волкова, рассматривались поверхностные состояния вейлевских фермионов, то есть поведение электронов вблизи поверхности кристалла, являющегося вейлевским полуметаллом. Особые состояния электронов на поверхности кристалла – поверхностные состояния – были предсказаны и теоретически исследованы в простейших моделях будущими нобелиатами Игорем Таммом (СССР) и позже  Вильямом Шокли (США) еще в 1930-е годы, но стали интенсивно изучаться экспериментально сравнительно недавно. О практической важности этих исследований говорит тот факт, что вся современная микроэлектроника основана на эксплуатации токопроводящих приповерхностных каналов на кремнии, который, впрочем, не является топологическим материалом.

Поведение любой частицы во внешних полях определяется законом дисперсии – зависимостью энергии частицы от ее импульса. Именно закон дисперсии электронов (электронный спектр) определяет электронные свойства кристалла, например электропроводность. Электронный спектр в объеме вейлевского полуметалла описывается совокупностью четного числа конусов – «долин», центрированных в особых точках импульсного пространства.

Замечательными особенностями обладает поверхность такого кристалла. Экзотическая форма закона дисперсии частиц, заселяющих поверхностные состояния в вейлевских полуметаллах, является визитной карточкой вейлевских полуметаллов. Точки спектра, соединяющие состояния с одинаковой энергией, необычны: они не замкнуты и имеют форму дуг в двумерном импульсном пространстве. Дуги связывают принадлежащие разным «долинам» конические точки в электронном спектре  и называются ферми-арками (для обычных электронов эти контуры замкнуты и похожи на окружность).

Теоретическое описание ферми-арок до сих пор было основано на очень сложных («первопринципных») и непрозрачных компьютерных расчетах. Ученые из МФТИ учли, что далеко от границы вейлевские фермионы в каждой «долине» подчиняются дифференциальным уравнениям Вейля, и сумели вывести граничные условия, которые впервые корректно учитывают междолинное взаимодействие на поверхности полуметалла. Систему уравнений Вейля для двух долин с этими граничными условиями удалось решить «вручную» и поэтому аналитически найти форму ферми-арок. Результат описывает опытные данные не только качественно, но и количественно, и доказывает, что основной причиной формирования ферми-арок является сильное междолинное взаимодействие при рассеянии вейлевских фермионов на поверхности кристалла.

Использование вейлевских полуметаллов может оказаться чрезвычайно полезным при создании сверхбыстрой электроники. Сейчас разрабатывается (пока теоретически) новое поколение электронных приборов на основе вейлевских полуметаллов. Аналитический подход, разработанный учеными из МФТИ, позволяет сравнительно просто учитывать влияние на вейлевские фермионы электрических и магнитных полей. Эвристический потенциал разработанного метода может существенно облегчить продвижение в приборном направлении. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
168 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 18:07
10 минут
София Жаботинская

Таковы итоги первой фазы клинических испытаний, проведенных исследователями из Китая. Ученые уже развернули вторую фазу тестов, результаты которой станут известны через шесть месяцев.

Вчера, 20:43
5 минут
София Жаботинская

Вирусы, живущие в клетках протобактерий SAR11, могут помогать разным штаммам этих микроорганизмов обмениваться генетическим материалом и получать конкурентное преимущество.

3 часа назад
33 минуты
Александр Березин

Александр Мясников, глава Информационного центра по мониторингу ситуации с коронавирусом, заявил, что «вирус как бы фильтруется через наши иммунные силы, <...> каждый раз, попадая в очередной организм, дальше идет немного ослабленный». В связи с этим он ожидает отступления волны заражения «самой по себе». Однако целый ряд научных исследований — да и опыт пандемии «испанки» — указывают на другой, менее благостный сценарий. Попробуем разобраться, что считает наука по поводу некоторого спада в числе зараженных в России: почему он идет и когда ситуация может развернуться вспять.

Позавчера, 08:19
4 минуты
София Жаботинская

Внутрикорабельные костюмы членов экипажа Crew Dragon неудобны и выдерживают меньшие перегрузки, чем российские аналоги.

27 мая
37 минут
Александр Березин

После очень долгого перерыва США вновь пытаются запустить человека в космос своими силами. Но если с ракетами и кораблем у них сейчас все лучше, чем у стран-конкурентов, то со скафандрами не все так гладко. Они заметно неудобнее и тяжелее — что приводит к большим проблемам, вплоть до отваливающихся ногтей на пальцах астронавтов. Почему так вышло — в интервью Naked Science рассказал конструктор скафандров Николай Моисеев.

25 мая
4 минуты
София Жаботинская

Создатели препарата добровольно ввели себе собственную разработку и, как сообщает руководитель центра имени Гамалеи, добились успеха.

14 мая
6 минут
София Жаботинская

Две-три чашки кофе в день обеспечивают уменьшение как подкожного, так и висцерального жира у женщин — по сравнению с теми, кто пьет кофе реже или не пьет совсем.

18 мая
47 минут
Александр Березин

«Новая газета» обратила внимание, что в статистике столицы — эпицентра коронавирусной эпидемии в России — в апреле 2020 года виден аномальный всплеск смертей. Он в разы превышает официальные цифры гибели людей от Covid-19. Власти опять скрывают? Naked Science внимательно присмотрелся к ситуации и обнаружил, что дело совсем в другом факторе, никак не связанном с новой болезнью. Рассказываем, о чем речь.

2 мая
40 минут
Александр Березин

Криптовалюты защищены от инфляции, обесценивающей даже доллар всемеро за полвека. Их второе поколение – пока состоящее из одного только дуровского грама – еще и сможет быть повседневным средством платежей, что недоступно для биткойна. Вроде бы, все хорошо, но на самом деле внедрение конкретно этой новой технологии обещает большие потрясения всем экономикам мира. Если, конечно, Штаты не остановят этот чрезмерно амбициозный проект. Попробуем разобраться, какой из этих вариантов вероятнее.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: