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Cono de Dirac

Estructura de bandas electrónicas de grafeno monocapa , con un recuadro ampliado que muestra los conos de Dirac. Hay 6 conos que corresponden a los 6 vértices de la primera zona hexagonal de Brillouin.

En física , los conos de Dirac son características que ocurren en algunas estructuras de bandas electrónicas que describen propiedades inusuales de transporte de electrones de materiales como el grafeno y los aislantes topológicos . [1] [2] [3] En estos materiales, a energías cercanas al nivel de Fermi , la banda de valencia y la banda de conducción toman la forma de las mitades superior e inferior de una superficie cónica , y se encuentran en lo que se denominan puntos de Dirac .

Ejemplos típicos incluyen grafeno , aislantes topológicos , películas delgadas de bismuto y antimonio y algunos otros nanomateriales novedosos , [1] [4] [5] en los que la energía electrónica y el momento tienen una relación de dispersión lineal tal que la estructura de banda electrónica cerca del nivel de Fermi toma la forma de una superficie cónica superior para los electrones y una superficie cónica inferior para los huecos. Las dos superficies cónicas se tocan entre sí y forman un semimetal de banda prohibida cero.

El nombre de cono de Dirac proviene de la ecuación de Dirac que puede describir partículas relativistas en mecánica cuántica , propuesta por Paul Dirac . Los conos de Dirac isotrópicos en grafeno fueron predichos por primera vez por P. R. Wallace en 1947 [6] y observados experimentalmente por los premios Nobel Andre Geim y Konstantin Novoselov en 2005. [7]

Descripción

Conos de Dirac inclinados en el espacio de momento. De izquierda a derecha, la inclinación aumenta, desde la ausencia de inclinación en el primer cono hasta la inclinación excesiva en el último. Los tres primeros son semimetales de Weyl de tipo I, el último es un semimetal de Weyl de tipo II.

En mecánica cuántica , los conos de Dirac son una especie de punto de cruce que los electrones evitan , [8] donde la energía de las bandas de valencia y conducción no son iguales en ninguna parte del espacio k de la red bidimensional, excepto en los puntos de Dirac de dimensión cero. Como resultado de los conos, la conducción eléctrica puede describirse por el movimiento de los portadores de carga que son fermiones sin masa , una situación que se maneja teóricamente mediante la ecuación de Dirac relativista . [9] Los fermiones sin masa conducen a varios efectos Hall cuánticos , efectos magnetoeléctricos en materiales topológicos y movilidad de portadores ultra alta . [10] [11] Los conos de Dirac se observaron en 2008-2009, utilizando espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) en el compuesto de intercalación de potasio- grafito KC 8 [12] y en varias aleaciones basadas en bismuto. [13] [14] [11]

Como un objeto con tres dimensiones, los conos de Dirac son una característica de los materiales bidimensionales o estados de superficie, basados ​​en una relación de dispersión lineal entre la energía y los dos componentes del momento cristalino k x y k y . Sin embargo, este concepto se puede extender a tres dimensiones, donde los semimetales de Dirac se definen por una relación de dispersión lineal entre la energía y k x , k y y k z . En el espacio k , esto se muestra como un hipercono , que tiene bandas doblemente degeneradas que también se encuentran en los puntos de Dirac. [11] Los semimetales de Dirac contienen simetría de inversión espacial y de inversión temporal; cuando una de estas se rompe, los puntos de Dirac se dividen en dos puntos de Weyl constituyentes y el material se convierte en un semimetal de Weyl. [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22 ] [23 ] [24] [25] En 2014, se realizó una observación directa de la estructura de la banda del semimetal de Dirac utilizando ARPES en el arseniuro de cadmio del semimetal de Dirac . [26] [27] [28]

Sistemas analógicos

Los puntos de Dirac se han realizado en muchas áreas físicas como la plasmónica , la fonónica o la nanofotónica (microcavidades, [29] cristales fotónicos [30] ).

Véase también

Referencias

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Lectura adicional