12.04.2017
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.
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, 12:28
Ольга Иванова

Международная группа ученых пришла к выводу, что употребление жирных кислот, содержащихся в орехах, семенах, сое и растительном масле, снижает риск смерти от всех причин, в том числе от сердечно-сосудистых заболеваний.

Вчера, 20:11
Илья Ведмеденко

Компания General Dynamics Land Systems представила макет наземного робота TRX, который выступит носителем беспилотников-камикадзе. Помимо них, он получил квадрокоптер.

8 часов назад
Александр Березин

Когда полвека назад гибель динозавров объяснили падением астероида, это вызвало массовое неприятие, длившееся десятилетия. Открытие кометы, взрыв которой принес тысячелетнее похолодание в начале голоцена, привело к спорам в научной среде, которые идут до сих пор. Теперь множеству атак подверглось и открытие астероида, уничтожившего Содом. Отчего многим исследователям так трудно поверить в астероидные взрывы и о каких узких местах в современной науке это может говорить?

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

12 октября
Елена Синицкая

Управление древностей Израиля обнародовало итоги раскопок огромного винодельческого комплекса. На нем в византийское и раннеисламское время делали виноградное вино, которым снабжали многие страны Средиземноморья.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

22 сентября
Илья Ведмеденко

Видео демонстрирует концепцию, известную как Rapid Dragon. Крылатые ракеты сбросили из самолетов C-17 и EC-130: предполагается, что это позволит повысить ударную мощь США.

24 сентября
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: