Найден полуметалл Вейля

В квантовой физике частицы со спином 1/2 описываются уравнением Дирака. В 1929 г. Герман Вейль (Hermann Weyl) показал, что уравнение Дирака для безмассовых фермионов можно представить в виде системы двух уравнений, решения которых различаются спиральностью (проекцией спина частицы на направление ее движения). До недавнего времени эти вейлевские фермионы ни разу не наблюдались (в качестве кандидатов рассматривались нейтрино, но у них была обнаружена масса, пусть и очень маленькая, ~ 10-6 массы электрона).

Теория предсказывает, что вейлевские фермионы могут существовать (как квазичастицы) в так называемых вейлевских полуметаллах – кристаллах, проводимость которых определяется топологическими свойствами волновых функций в объеме образца. При этом, в отличие от топологических диэлектриков, валентная зона и зона проводимости касаются друг друга в вейлевских точках, а спин-поляризованые поверхностные состояния образуют фермиевские дуги, соединяющие два объемных вейлевских узла противоположной спиральности (см. рис.).

 

Иллюстрация особенностей зонной структуры вейлевского полуметалла.
Красная и синяя сферы – вейлевские точки.
Зеленым цветом показана фермиевская дуга.

 

В работе [1] методами ультрафиолетовой и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением доказано, что монопниктид TaAs обладает всеми перечисленными особенностями электронной структуры, то есть является вейлевским полуметаллом. Ранее сообщалось, что свойствами вейлевского полуметалла обладают и такие соединения, как Cd3As2 [2] и Na3Bi [3]. Можно надеяться, что вслед за этими первыми ласточками прилетят и другие. Необычные транспортные и оптические свойства вейлевских полуметаллов вне всякого сомнения найдут применение в электронике, оптоэлектронике и, возможно, квантовой информатике.

По материалам заметки
 “Massless yet real”,
D.Ciudad, Nature Mater.
14, 863 (2015).

1.      S.-Y.Xu et al., Science 349, 613 (2015).

2.      M.Neupane et al., Nature Commun. 5, 3786 (2013).

3.      Z.K. Liu et al., Science 343, 864 (2014).