Физики объяснили «танцы» вейлевских частиц на поверхности кристаллов

Ученые из МФТИ исследовали поведение вейлевских частиц, захваченных на поверхность полуметаллов Вейля. Их статья была опубликована в журнале Physical Review В.

Существование вейлевских фермионов (таково строгое название вейлевских частиц) было предсказано немецким физиком Вейлем еще в начале XX века. Однако лишь в 2015 году они были обнаружены на опыте — в миниатюрных кристаллах, получивших название вейлевских полуметаллов. Вейлевский полуметалл является трехмерным аналогом графена. Электроны в графене и полуметаллах Вейля считаются безмассовыми частицами, как фотоны, но в отличие от последних обладают электрическим зарядом, с чем связаны перспективы применений в электронике. Важно, что свойства электронов в этих и ряде других материалов обладают, как недавно выяснилось, качественно новыми особенностями, описываемыми топологической теорией.

В теоретическом исследовании, проведенном аспирантом МФТИ Жанной Девизоровой под руководством профессора МФТИ Владимира Волкова, рассматривались поверхностные состояния вейлевских фермионов, то есть поведение электронов вблизи поверхности кристалла, являющегося вейлевским полуметаллом.

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

Точки спектра, соединяющие состояния с одинаковой энергией, 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 не прозрачных 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. Удалось «вручную» решить систему уравнений Вейля для двух долин с этими граничными условиями и 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.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.