Совершён очередной прорыв в области разработки высокоскоростной электроники.
Ученые из МФТИИзучали поведение частиц Вейля, попавших на поверхность полуметаллов Вейля. Physical Review В в престижном разделе Rapid Communications.
Существование вейлевских фермионов предсказал в начале XX века немецкий физик Герман Вейль, описав поведение безмассовых частиц с полуцелым спином. Однако длительное время титанические усилия по их обнаружению в природе были безуспешными. в 2015 годуОпытным путем удалось обнаружить их 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 — трёхмерный аналог графена, двумерного кристалла с уникальными свойствами, открытие которого принесло Нобелевскую премию по физике выпускникам МФТИ Андрею Гейму и Константину Новосёлову в 2010 году. Электроны в графене и полуметаллах Вейля — безмассовые частицы, подобные фотонам, но с электрическим зарядом, что открывает возможности их применения в электронике.
Важные для этих и некоторых других материалов особенности свойств электронов, как установили совсем недавно, по-новому проявляются благодаря описанной топологической теории. о топологических фазовых переходахВ ситуациях, где происходят изменения с точки зрения топологии — непрерывности, группе ученых была присуждена Нобелевская премия по физике в 2016 году за внедрение общих топологических представлений в физику конденсированного состояния.
Аспирант МФТИ Жанна Девизорова под руководством профессора Владимира Волкова провела теоретическое исследование поверхностных состояний вейлевских фермионов в вейлевском полупроводнике. Поверхностные состояния электронов на поверхности кристалла предсказали и теоретически исследовали Игорь Тамм и Вильям Шокли в 1930-х годах, но интенсивно изучать их экспериментально стали сравнительно недавно. Современная микроэлектроника основана на эксплуатации токопроводящих приповерхностных каналов на кремнии, который не является топологическим материалом.
Поведение частицы под действием полей определяется законом дисперсии, связывающим энергию частицы с её импульсом. Закон дисперсии электронов определяет электронные свойства кристалла, например электропроводность. Электронный спектр в вейлевском полуметалле задается совокупностью четного числа конусов – «долин», расположенных в особых точках. импульсного пространства.
Поверхность такого кристалла обладает замечательными особенностями. Экзотичная форма закона дисперсии частиц, населяющих поверхностные состояния в вейлевских полуметаллах, является визитной карточкой этих материалов. Точки спектра, соединяющие состояния с одинаковой энергией, необычны: 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 строилось на сложных и не всегда понятных компьютерных расчетах. Ученые МФТИ учли, что далеко от границы вейлевские фермионы в каждой «долине» подчиняются дифференциальным уравнениям Вейля, и вывели граничные условия, учитывающие междолинное взаимодействие на поверхности полуметалла. Решив систему уравнений Вейля для двух долин с этими условиями аналитически, удалось найти форму ферми-арок. Результат описывает опытные данные как качественно, так и количественно, подтверждая, что основная причина формирования ферми-арок – сильное междолинное взаимодействие при рассеянии вейлевских фермионов на поверхности кристалла.
Вейлевские полуметаллы могут быть очень полезны для создания сверхбыстрой электроники. Сейчас разрабатывается новое поколение электронных приборов на их основе (теоретически). Разработанный учеными из МФТИ аналитический подход позволяет просто учитывать влияние электрических и магнитных полей на вейлевские фермионы. Эвристический потенциал нового метода может существенно облегчить развитие приборов в этом направлении.
