Le spectre d'électrons en vrac dans un semi-métal de Weyl est décrit par un ensemble d'un nombre pair de cônes de Weyl (alias vallées) centrés à des points spéciaux dans l'espace de quantité de mouvement. Ces pointes coniques, qui sont parfois appelés « diaboliques, " cache une topologie non triviale. Crédit :MIPT
Des chercheurs du MIPT ont examiné le comportement des particules de Weyl piégées à la surface des semi-métaux de Weyl. Leur étude a été publiée dans la prestigieuse section Rapid Communications de Examen physique B .
La particule de Weyl ou le fermion de Weyl, pour utiliser un terme plus précis - a été prédit au début du 20e siècle par Hermann Weyl, un physicien allemand. Malgré sa prédiction précoce et ses efforts considérables dirigés vers la recherche de la particule illusoire de Weyl, il n'a été découvert expérimentalement qu'en 2015. Contrairement aux attentes, le Weyl n'a pas été observé dans un collisionneur géant, mais en petits cristaux, qui est devenu connu sous le nom de semi-métaux de Weyl. Ces matériaux ont depuis attiré beaucoup d'attention, faisant de ce domaine de recherche l'un des plus chauds de la physique moderne.
Les semi-métaux de Weyl peuvent être considérés comme un équivalent 3-D du graphène, le cristal 2-D aux propriétés uniques découvert par les diplômés du MIPT Andre Geim et Konstantin Novoselov, qui ont reçu le prix Nobel de physique en 2010. Les électrons dans le graphène et les semi-métaux de Weyl se comportent comme des particules sans masse semblables à des photons. Cependant, contrairement aux photons, ces particules ont une charge électrique, ce qui les rend prometteurs pour des applications en électronique. Comme il s'avère, les propriétés bizarres des électrons dans ces types de matériaux peuvent être décrites en termes de théorie des champs topologiques. Le prix Nobel de physique 2016 a été décerné aux scientifiques qui ont introduit des concepts topologiques dans la physique des états condensés.
Dans une étude théorique supervisée par le professeur Vladimir Volkov du MIPT, Zhanna Devizorova, un doctorat étudiant au MIPT, étudié les états de surface des fermions de Weyl, c'est à dire., comment les électrons se comportent près de la surface d'un cristal semi-métallique de Weyl. Les états spéciaux des électrons près de la surface d'un cristal, connu sous le nom d'états de surface électroniques, ont été prédites dans les années 1930 par les futurs lauréats du prix Nobel Igor Tamm (URSS) et William Shockley (USA), qui a proposé et étudié les premiers modèles théoriques de ces états. Cependant, ce n'est que récemment que les états de surface ont attiré l'attention des chercheurs. L'importance pratique de ce domaine de recherche est démontrée par le fait que la microélectronique moderne utilisant le silicium est universellement basée sur des canaux conducteurs proches de la surface. Cependant, le silicium lui-même n'est pas un matériau topologique.
Le comportement de toute particule sous un champ externe est déterminé par la loi de dispersion qui relie l'énergie de la particule à sa quantité de mouvement. Selon la loi de dispersion, le spectre d'énergie des électrons dans un cristal définit des propriétés électroniques telles que la conductivité. Le spectre d'énergie en vrac des électrons dans un semi-métal de Weyl est décrit par un ensemble constitué d'un nombre pair de cônes de Weyl, ou des vallées, centré sur des points particuliers dans l'espace de quantité de mouvement.
La surface d'un tel cristal possède des propriétés remarquables. Les semi-métaux de Weyl se distinguent par le spectre d'énergie caractéristique des particules qui peuplent leurs états de surface. Dans ces spectres exotiques, les courbes qui représentent des états d'énergie égale ne sont pas fermées et apparaissent sous forme d'arcs dans l'espace de quantité de mouvement à deux dimensions. Ces arcs dits de Fermi relient des points du spectre électronique appartenant à différents cônes de Weyl. Contrairement aux fermions de Weyl, les électrons ordinaires sont caractérisés par des courbes de Fermi fermées en forme de cercle. Jusqu'à maintenant, toutes les descriptions théoriques des arcs de Fermi se sont appuyées sur des calculs informatiques compliqués et obscurs basés sur les premiers principes.
Les scientifiques basés au MIPT ont profité du fait que les fermions de Weyl situés loin de la surface du cristal obéissent aux équations différentielles de Weyl pour dériver les conditions aux limites qui tiennent compte avec succès des interactions d'intervalle sur la surface semi-métallique. Ils ont résolu le système des équations de Weyl pour deux vallées "à la main, " compte tenu des conditions aux limites dérivées, trouvant ainsi analytiquement la forme des arcs de Fermi. En effet, ils ont offert une description quantitative et qualitative des données expérimentales, et prouvé que la formation d'arcs de Fermi est principalement due à une forte interaction d'intervalles sous la diffusion de fermions de Weyl sur la surface cristalline.
Il est concevable que les semi-métaux de Weyl puissent permettre l'électronique ultrarapide. Les chercheurs théoriques étudient actuellement les principes qui jettent les bases des appareils électroniques de nouvelle génération basés sur les semi-métaux de Weyl. Cette approche analytique est un moyen relativement simple de rendre compte de l'influence des champs électriques et magnétiques sur les fermions de Weyl. Le potentiel heuristique de cette approche pourrait grandement faciliter les progrès vers une électronique plus rapide et plus efficace.
