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Semimetal de Weyl

Los semimetales de Weyl son semimetales o metales cuya excitación de cuasipartícula es el fermión de Weyl , una partícula que jugó un papel crucial en la teoría cuántica de campos pero que no ha sido observada como una partícula fundamental en el vacío. [1] En estos materiales, los electrones tienen una relación de dispersión lineal, lo que los convierte en un análogo de estado sólido de partículas relativistas sin masa. [2]

Predicciones teóricas

Los fermiones de Weyl son fermiones quirales sin masa que incorporan el concepto matemático de un espinor de Weyl . Los espinores de Weyl a su vez juegan un papel importante en la teoría cuántica de campos y el Modelo Estándar , donde son un componente básico para 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 . [3] Por ejemplo, la mitad de un fermión de Dirac cargado de una quiralidad definida es un fermión de Weyl. [4]

Los fermiones de Weyl pueden materializarse 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 las estructuras de bandas electrónicas de sistemas de estado sólido como los cristales electrónicos. [5] [6] Los materiales topológicos en las proximidades de la transición de inversión de bandas se convirtieron en un objetivo principal en la búsqueda de cruces de bandas electrónicas en masa protegidos topológicamente. [7]

El primer estado líquido (no electrónico) que se sugiere, tiene una excitación emergente similar pero neutral y la anomalía quiral del superfluido interpretada teóricamente como la observación de los puntos de Fermi está en la fase superfluida de helio-3 A. [8] [ fuente no primaria necesaria ] El arseniuro de tantalio cristalino (TaAs) es el primer semimetal fermión de Weyl topológico descubierto que exhibe arcos de Fermi superficiales topológicos donde el fermión de Weyl está cargado eléctricamente a lo largo de la línea de la sugerencia original de Herring. [6] [9] Un fermión de Weyl electrónico no solo está cargado sino que es estable a temperatura ambiente donde no se conoce tal estado superfluido o líquido. [ cita requerida ]

Esquema del estado semimetálico de Weyl, que incluye los nodos de Weyl y los arcos de Fermi. Los nodos de Weyl son monopolos y antimonopolos del espacio de momento. El esquema está adaptado de la referencia [10] .

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. [11] [12] [13] Un semimetal de Weyl permite la realización de fermiones de Weyl en sistemas electrónicos. [9] 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. [14] Los fermiones de Weyl en energía cero corresponden a puntos de degeneración de banda en masa, los nodos de Weyl (o puntos de Fermi) que están separados en el espacio de momento . Los fermiones de Weyl tienen quiralidades distintas, ya sea zurdas o diestras.

En un cristal de semimetal de Weyl, las quirales 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 esta fase. [11] 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 lo 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 de arco de Fermi en su superficie. [9] [11] 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 sobre el superfluido helio-3 [15] sugirió arcos de Fermi en superfluidos neutros.

Una imagen de detector (arriba) señala la existencia de nodos de fermiones de Weyl y arcos de Fermi. [9] Los signos más y menos indican la quiralidad de la partícula. Un esquema (abajo) muestra la forma en que los fermiones de Weyl dentro de un cristal pueden considerarse monopolares y antimonopolares en el espacio de momento. (Arte de la imagen de Su-Yang Xu y M. Zahid Hasan)

El 16 de julio de 2015 se realizaron las primeras observaciones experimentales de semimetales de fermiones de Weyl y arcos de Fermi topológicos en un material monocristalino de ruptura de simetría de inversión, arseniuro de tantalio (TaAs). [9] Tanto los fermiones de Weyl como los estados de superficie del arco de Fermi se observaron utilizando imágenes electrónicas directas con ARPES , que estableció su carácter topológico por primera vez. [9] Este descubrimiento se basó en predicciones teóricas previas propuestas en noviembre de 2014 por un equipo dirigido por el científico bangladesí M Zahid Hasan . [16] [17]

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 [18] [19] [20] y el espectro de cuasipartículas superfluidas de helio-3 (fermiones neutros). [21] Nótese 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

El TaAs es el primer semimetal de Weyl (conductor) descubierto. Se pueden obtener monocristales de TaAs de gran tamaño (~1 cm) y alta calidad [22] mediante el método de transporte químico por vapor utilizando yodo como agente de transporte.

El TaAs cristaliza en una celda unitaria tetragonal centrada en el cuerpo con constantes de red a = 3,44 Å y c = 11,64 Å y grupo espacial I41md (n.º 109). Los átomos de Ta y As están coordinados entre sí en seis direcciones. Esta estructura carece de un plano especular horizontal y, por lo tanto, de simetría de inversión, que es esencial para la realización del 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 4 mm, los planos equivalentes {101} y {112} 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 han identificado muchos otros materiales como Co 2 TiGe, MoTe 2 , WTe 2 , LaAlGe y PrAlGe que exhiben un comportamiento semimetálico de Weyl. [23] [24]

Aplicaciones

Los fermiones de Weyl en masa y los arcos de Fermi en las superficies de los semimetales de Weyl son de interés en física y tecnología de materiales. [3] [25] La alta movilidad de los fermiones de Weyl cargados puede encontrar uso en electrónica y computación.

En 2017, [26] un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Viena que realiza trabajos experimentales para desarrollar nuevos materiales, y un equipo de la Universidad Rice que realiza trabajos teóricos, han producido materiales que denominan semimetales de Weyl-Kondo. [27]

Un grupo de investigadores internacionales dirigido por un equipo del Boston College descubrió en 2019 que el semimetal de Weyl, arseniuro de tantalio, ofrece la mayor conversión intrínseca de luz en electricidad de cualquier material, más de diez veces mayor que la lograda anteriormente. [28]

Los semimetales de Weyl 2D son análogos de grafeno con polarización de espín que prometen acceso a las propiedades topológicas de los fermiones de Weyl en el espacio-tiempo (2+1)-dim. En 2024, un equipo de la Universidad de Missouri, la Universidad Nacional Cheng Kung y el Laboratorio Nacional Oak Ridge descubrió un semimetal de Weyl 2D intrínseco con conos de Weyl con polarización de espín y estados de borde de cuerda de Fermi topológicos en una monocapa epitaxial de bismuto. [29]

Lectura adicional

Véase también

Referencias

  1. ^ Shuang Jia, Su-Yang Xu y M. Zahid Hasan (2016). "Semimetales de Weyl, arcos de Fermi y anomalías quirales". Nature Materials . 56 (15): 1140–1144. arXiv : 1612.00416 . Código Bibliográfico :2016NatMa..15.1140J. doi :10.1038/nmat4787. PMID  27777402. S2CID  1115349.
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  3. ^ ab Johnston, Hamish (2015). "Por fin se han descubierto los fermiones de Weyl". Physics World .
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