Fermiones Weyl no tienen masa quirales fermiones que incorporan el concepto matemático de un espinor de Weyl . Los espinores de Weyl, a su vez, desempeñan un papel importante en la teoría cuántica de campos y el modelo estándar , donde son un componente básico de los fermiones en la teoría cuántica de campos. Los espinores de Weyl son una solución a la ecuación de Dirac derivada por Hermann Weyl , llamada ecuación de Weyl . [1] Por ejemplo, la mitad de un fermión de Dirac cargado de una quiralidad definida es un fermión de Weyl. [2]
Los fermiones de Weyl pueden realizarse como cuasipartículas emergentes en un sistema de materia condensada de baja energía. Esta predicción fue propuesta por primera vez por Conyers Herring en 1937, en el contexto de estructuras de bandas electrónicas de sistemas de estado sólido como los cristales electrónicos. [3] [4] Los materiales topológicos en las proximidades de la transición de inversión de banda se convirtieron en un objetivo principal en la búsqueda de cruces de banda electrónicos a granel protegidos topológicamente. [5]
El primero (no electrónica) estado líquido que se sugiere, tiene de manera similar emergente pero excitación neutral y teóricamente interpretarse superfluido 's quiral anomalía como la observación de los puntos de Fermi se encuentra en helio-3 un superfluido fase. [6] [Se necesita fuente no primaria ] El arseniuro de tantalio cristalino (TaAs) es el primer semimetal de fermión de Weyl topológico descubierto que exhibe arcos de Fermi de superficie topológica donde el fermión de Weyl está cargado eléctricamente a lo largo de la línea de sugerencia original de Herring. [4] [7] Un fermión Weyl electrónico no solo está cargado sino que es estable a temperatura ambiente donde no se conoce tal estado superfluido o líquido. [ cita requerida ]
Observación experimental
Un semimetal de Weyl es un cristal de estado sólido cuyas excitaciones de baja energía son fermiones de Weyl que llevan carga eléctrica incluso a temperatura ambiente. [9] [10] [11] Un semimetal Weyl permite la realización de fermiones Weyl en sistemas electrónicos. [7] Es una fase topológicamente no trivial de la materia, junto con la fase superfluida Helio-3 A, que amplía la clasificación topológica más allá de los aislantes topológicos. [12] Los fermiones de Weyl a energía cero corresponden a puntos de degeneración de banda masiva, los nodos de Weyl (o puntos de Fermi) que están separados en el espacio de momento . Los fermiones de Weyl tienen distintas quiralidades, ya sean zurdas o diestras.
En un cristal semimetálico de Weyl, las quiralidades asociadas con los nodos de Weyl (puntos de Fermi) pueden entenderse como cargas topológicas, que conducen a monopolos y antimonopolos de curvatura de Berry en el espacio de momento , que (la división) sirven como invariante topológico de este fase. [9] Comparables a los fermiones de Dirac en el grafeno o en la superficie de los aislantes topológicos , los fermiones de Weyl en un semimetal de Weyl son los electrones más robustos y no dependen de simetrías excepto la simetría de traslación de la red cristalina. Por tanto, las cuasipartículas de fermiones de Weyl en un semimetal de Weyl poseen un alto grado de movilidad. Debido a la topología no trivial, se espera que un semimetal de Weyl demuestre estados de electrones del arco de Fermi en su superficie. [7] [9] Estos arcos son segmentos discontinuos o disjuntos de un contorno de Fermi bidimensional, que terminan en las proyecciones de los nodos de fermiones de Weyl en la superficie. Una investigación teórica de 2012 del superfluido Helio-3 [13] sugirió arcos de Fermi en superfluidos neutros.
El 16 de julio de 2015 se realizaron las primeras observaciones experimentales de semimetal de fermiones de Weyl y arcos de Fermi topológicos en un material monocristalino de arseniuro de tantalio (TaAs) que rompe la simetría de inversión. [7] Tanto los fermiones de Weyl como los estados de superficie del arco de Fermi se observaron utilizando imágenes electrónicas directas utilizando ARPES , que estableció su carácter topológico por primera vez. [7] Este descubrimiento se basó en predicciones teóricas previas propuestas en noviembre de 2014 por un equipo dirigido por el científico bangladesí M Zahid Hasan . [14] [15]
Los puntos de Weyl (puntos de Fermi) también se observaron en sistemas no electrónicos como los cristales fotónicos, de hecho incluso antes de su observación experimental en sistemas electrónicos [16] [17] [18] y espectro de cuasipartículas superfluidas de helio-3 (fermiones neutros). [19] Tenga en cuenta que si bien estos sistemas son diferentes de los sistemas electrónicos de materia condensada, la física básica es muy similar.
Crecimiento, estructura y morfología de los cristales
TaAs es el primer semimetal (conductor) de Weyl descubierto. Los monocristales de TaAs de gran tamaño (~ 1 cm) de alta calidad [20] pueden obtenerse mediante el método de transporte de vapor químico utilizando yodo como agente de transporte.
TaAs cristaliza en una celda unitaria tetragonal centrada en el cuerpo con constantes de celosía a = 3.44 Å yc = 11.64 Å y grupo espacial I41md (No. 109). Los átomos de Ta y As son seis coordinados entre sí. Esta estructura carece de un plano de espejo horizontal y, por lo tanto, de simetría de inversión, que es esencial para realizar el semimetal de Weyl.
Los monocristales de TaAs tienen facetas brillantes, que se pueden dividir en tres grupos: las dos superficies truncadas son {001}, las superficies trapezoidales o triangulares isósceles son {101} y las rectangulares {112}. TaAs pertenece al grupo de puntos de 4 mm, los planos {101} y {112} equivalentes deben formar una apariencia ditetragonal. La morfología observada puede variar de casos degenerados de la forma ideal. Además del descubrimiento inicial de TaAs como semimetal de Weyl, se ha identificado que muchos otros materiales como Co2TiGe, MoTe2, WTe2, LaAlGe, PrAlGe exhiben un comportamiento semimetálico de Weyl [21] [22]
Aplicaciones
Los fermiones de Weyl a granel y los arcos de Fermi en las superficies de los semimetales de Weyl son de interés en la física y la tecnología de materiales. [1] [23] La alta movilidad de los fermiones Weyl cargados puede encontrar uso en electrónica e informática.
En 2017, [24] un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Viena que lleva a cabo un trabajo experimental para desarrollar nuevos materiales, y un equipo de la Universidad Rice que realiza un trabajo teórico, han producido material que denominan semimetales de Weyl-Kondo. [25]
Un grupo de investigadores internacionales liderado por un equipo de Boston College descubrió en 2019 que el semimetal de Weyl Tantalum Arsenide ofrece la mayor conversión intrínseca de luz en electricidad de cualquier material, más de diez veces más grande que lo logrado anteriormente. [26]
Otras lecturas
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Referencias
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