Еще один прогресс достигнут в разработке электроники с высокой скоростью работы.
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.
В начале XX века немецкий физик Герман Вейль предсказал существование вейлевских фермионов, строго говоря, вейлевских частиц, описывая поведение безмассовых частиц с полуцелым спином. Однако, попытки обнаружить их в природе оказались длительными и 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 рассматривается как трехмерный аналог графена – двумерного кристалла, обладающего исключительными характеристиками. Благодаря открытию графена Андрей Гейм и Константин Новоселов, выпускники МФТИ, были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году. Электроны в графене и полуметаллах Вейля ведут себя как безмассовые частицы, аналогичные фотонам, однако, в отличие от фотонов, они несут электрический заряд, что открывает возможности для их использования в электронике.
Недавно обнаружено, что свойства электронов в этих и ряде других материалов обладают качественно новыми особенностями, которые могут быть объяснены с помощью топологической теории. Она, в частности, рассматривает, о топологических фазовых переходах, в таких системах происходят изменения, связанные с топологией, то есть с непрерывностью. Стоит отметить, что за введение общих топологических представлений в физику конденсированного состояния ученые также были удостоены Нобелевской премии по физике в 2016 году.
В теоретическом исследовании, выполненном аспиранткой МФТИ Жанной Девизоровой под руководством профессора института Владимира Волкова, были рассмотрены поверхностные состояния вейлевских фермионов, что подразумевает изучение поведения электронов вблизи поверхности кристалла, являющегося вейлевским полуметаллом. Прогнозирование и теоретическое исследование особых состояний электронов на поверхности кристалла – поверхностных состояний – было осуществлено в базовых моделях будущими лауреатами Нобелевской премии Игорем Таммом (СССР) и впоследствии Вильямом Шокли (США) еще в 1930-е годы, однако экспериментальные исследования получили интенсивное развитие лишь сравнительно недавно. Значимость данных исследований подтверждается тем, что современная микроэлектроника базируется на использовании токопроводящих приповерхностных каналов на кремнии, который, тем не менее, не относится к топологическим материалам.
Зависимость энергии частицы от ее импульса, или закон дисперсии, определяет поведение любой частицы во внешних полях. Электронные свойства кристалла, такие как электропроводность, определяются электронным спектром, то есть законом дисперсии электронов. В объеме вейлевского полуметалла электронный спектр описывается совокупностью четного числа «долин», которые представляют собой конусы и центрированы в особых точках импульсного пространства.
Поверхность этого кристалла характеризуется рядом уникальных свойств. Необычная форма закона дисперсии частиц, находящихся в поверхностных состояниях, служит отличительной чертой вейлевских полуметаллов. Точки спектра, соединяющие состояния с одинаковой энергией, имеют примечательный вид: они не замкнуты и принимают форму дуг в двумерном импульсном пространстве. Эти дуги соединяют конические точки, относящиеся к различным «долинам» в электронном спектре, и получили название ферми-арки (в случае обычных электронов подобные контуры замкнуты и напоминают окружность).
Теоретическое описание ферми-арок до настоящего времени основывалось на весьма сложных и трудно интерпретируемых компьютерных расчетах. Специалисты из МФТИ приняли во внимание, что вдали от границы вейлевские фермионы в каждой «долине» соответствуют дифференциальным уравнениям Вейля, и разработали граничные условия, которые впервые точно учитывают взаимодействие между долинами на поверхности полуметалла. Систему уравнений Вейля для двух долин с этими граничными условиями удалось решить аналитически, «вручную», что позволило определить форму ферми-арок. Полученный результат не только качественно, но и количественно соответствует экспериментальным данным, подтверждая, что ключевым фактором формирования ферми-арок является сильное междолинное взаимодействие при рассеянии вейлевских фермионов на поверхности кристалла.
Вейлевские полуметаллы могут значительно повысить эффективность создания сверхбыстрой электроники. В настоящее время ученые разрабатывают новое поколение электронных приборов, основанных на этих материалах (на данный момент это теоретические разработки). Аналитический метод, созданный специалистами из МФТИ, позволяет относительно просто учитывать воздействие электрических и магнитных полей на вейлевские фермионы. Разработанный подход обладает высоким эвристическим потенциалом и может ускорить прогресс в создании электронных устройств.