Weyl Halbmetall - Weyl semimetal

Weyl-Fermionen sind masselose chirale Fermionen, die das mathematische Konzept eines Weyl-Spinors verkörpern . Weyl-Spinoren wiederum spielen eine wichtige Rolle in der Quantenfeldtheorie und im Standardmodell , wo sie ein Baustein für Fermionen in der Quantenfeldtheorie sind. Weyl-Spinoren sind eine Lösung der von Hermann Weyl abgeleiteten Dirac-Gleichung , genannt Weyl-Gleichung . Zum Beispiel ist die Hälfte eines geladenen Dirac-Fermions einer bestimmten Chiralität ein Weyl-Fermion.

Weyl-Fermionen können als emergente Quasiteilchen in einem niederenergetischen kondensierten Materiesystem realisiert werden. Diese Vorhersage wurde erstmals 1937 von Conyers Herring im Zusammenhang mit elektronischen Bandstrukturen von Festkörpersystemen wie elektronischen Kristallen vorgeschlagen. Topologische Materialien in der Nähe des Bandinversionsübergangs wurden zu einem primären Ziel bei der Suche nach topologisch geschützten elektronischen Massenbandübergängen.

Der erste (nicht-elektronische) flüssige Zustand, der vorgeschlagen wird, weist eine ähnlich auftauchende, aber neutrale Anregung auf und hat theoretisch die chirale Anomalie des Suprafluids so interpretiert , dass die Beobachtung von Fermi-Punkten in der suprafluiden Phase Helium-3 A erfolgt. Kristallines Tantalarsenid (TaAs) ist das erste entdeckte topologische Weyl-Fermion-Halbmetall, das topologische Oberflächen- Fermi-Bögen aufweist, in denen das Weyl-Fermion entlang der ursprünglichen Anregung von Herring elektrisch geladen ist. Ein elektronisches Weyl-Fermion ist nicht nur geladen, sondern auch bei Raumtemperatur stabil, wo kein solcher suprafluider oder flüssiger Zustand bekannt ist.

Ein Schema des Weyl-Halbmetallzustands, der die Weyl-Knoten und die Fermi-Bögen enthält. Die Weyl-Knoten sind Impulsraummonopole und Antimonopole. Die Skizze ist aus Ref.

Experimentelle Beobachtung

A Weyl Halbmetall- ist ein Festkörperkristall , dessen niedrige Energie Erregungen sind Weyl Fermionen Temperaturen , die sogar bei Raum elektrische Ladung tragen. Ein Weyl-Halbmetall ermöglicht die Realisierung von Weyl-Fermionen in elektronischen Systemen. Es ist eine topologisch nichttriviale Phase der Materie, zusammen mit der superfluiden Phase Helium-3 A, die die topologische Klassifizierung über topologische Isolatoren hinaus erweitert. Die Weyl-Fermionen bei Nullenergie entsprechen Punkten der Volumenband-Entartung, den Weyl-Knoten (oder Fermi-Punkten), die im Impulsraum getrennt sind . Weyl-Fermionen haben unterschiedliche Chiralitäten, entweder linkshändig oder rechtshändig.

In einem Weyl-Halbmetallkristall können die mit den Weyl-Knoten (Fermi-Punkte) verbundenen Chiralitäten als topologische Ladungen verstanden werden, was zu Monopolen und Anti-Monopolen der Berry-Krümmung im Impulsraum führt , die (die Aufspaltung) als topologische Invariante davon dienen Phase. Vergleichbar mit den Dirac - Fermionen in Graphen oder auf der Oberfläche der topologischen Isolatoren , Weyl Fermionen in einem Weyl Halbmetall sind die robusteste Elektronen und hängt nicht von Symmetrien mit Ausnahme der Translationssymmetrie des Kristallgitters. Daher besitzen die Weyl-Fermion- Quasiteilchen in einem Weyl-Halbmetall ein hohes Maß an Mobilität. Aufgrund der nichttrivialen Topologie wird erwartet, dass ein Weyl-Halbmetall auf seiner Oberfläche Fermi-Bogenelektronenzustände zeigt . Diese Bögen sind diskontinuierliche oder disjunkte Segmente einer zweidimensionalen Fermi-Kontur, die auf den Projektionen der Weyl-Fermion-Knoten auf der Oberfläche enden. Eine theoretische Untersuchung des suprafluiden Helium-3 aus dem Jahr 2012 deutete auf Fermi-Bögen in neutralen Suprafluiden hin.

Ein Detektorbild (oben) signalisiert die Existenz von Weyl-Fermion-Knoten und den Fermi-Bögen. Die Plus- und Minuszeichen geben die Chiralität des Partikels an. Ein Schema (unten) zeigt, wie man sich Weyl-Fermionen im Inneren eines Kristalls als Monopol und Antimonopol im Impulsraum vorstellen kann. (Bildkunst von Su-Yang Xu und M. Zahid Hasan)

Am 16. Juli 2015 wurden die ersten experimentellen Beobachtungen von Weyl-Fermion-Halbmetall- und topologischen Fermi-Bögen in einem inversionssymmetriebrechenden Einkristallmaterial Tantalarsenid (TaAs) gemacht. Sowohl Weyl-Fermionen als auch Fermi-Bogen-Oberflächenzustände wurden mit direkter elektronischer Bildgebung mit ARPES beobachtet , wodurch erstmals der topologische Charakter festgestellt wurde. Diese Entdeckung basiert auf früheren theoretischen Vorhersagen, die im November 2014 von einem Team unter der Leitung des bangladeschischen Wissenschaftlers M. Zahid Hasan vorgeschlagen wurden .

Weyl-Punkte (Fermi-Punkte) wurden auch in nicht-elektronischen Systemen wie photonischen Kristallen beobachtet, und zwar sogar vor ihrer experimentellen Beobachtung in elektronischen Systemen und dem superfluiden Quasiteilchenspektrum von Helium-3 (neutrale Fermionen). Beachten Sie, dass sich diese Systeme zwar von elektronischen Systemen aus kondensierter Materie unterscheiden, die grundlegende Physik jedoch sehr ähnlich ist.

Kristallwachstum, Struktur und Morphologie

TaAs ist das erste entdeckte Weyl-Halbmetall (Leiter). Große (~1 cm) hochwertige TaAs-Einkristalle können durch das chemische Dampftransportverfahren unter Verwendung von Jod als Transportmittel erhalten werden.

TaAs kristallisiert in einer raumzentrierten tetragonalen Elementarzelle mit Gitterkonstanten a = 3.44 Å und c = 11.64 Å und Raumgruppe I41md (Nr. 109). Ta- und As-Atome sind sechs aufeinander abgestimmt. Dieser Struktur fehlt eine horizontale Spiegelebene und damit eine Inversionssymmetrie, die für die Realisierung von Weyl-Halbmetallen unerlässlich ist.

TaAs-Einkristalle haben glänzende Facetten, die in drei Gruppen eingeteilt werden können: die beiden abgestumpften Oberflächen sind {001}, die trapezförmigen oder gleichschenkligen dreieckigen Oberflächen sind {101} und die rechteckigen {112}. TaAs gehört zur Punktgruppe 4 mm, die äquivalenten Ebenen {101} und {112} sollten ein ditetragonales Erscheinungsbild bilden. Die beobachtete Morphologie kann von degenerierten Fällen der Idealform variieren. Neben der anfänglichen Entdeckung von TaAs als Weyl-Halbmetall wurden viele andere Materialien wie Co2TiGe, MoTe2, WTe2, LaAlGe, PrAlGe identifiziert, die ein Weyl-Halbmetallverhalten aufweisen

Anwendungen

Die Weyl-Fermionen im Bulk und die Fermi-Bögen auf den Oberflächen von Weyl-Halbmetallen sind für Physik und Werkstofftechnik von Interesse. Die hohe Mobilität geladener Weyl-Fermionen kann in der Elektronik und Computertechnik Anwendung finden.

Ein Forscherteam der TU Wien, das experimentelle Arbeiten zur Entwicklung neuer Materialien durchführt, und ein Team der Rice University, das theoretische Arbeiten durchführt, haben 2017 ein Material hergestellt, das sie als Weyl-Kondo-Halbmetalle bezeichnen.

Eine Gruppe internationaler Forscher unter der Leitung eines Teams des Boston College entdeckte 2019, dass das Weyl-Halbmetall Tantal-Arsenid die größte intrinsische Umwandlung von Licht in Elektrizität aller Materialien liefert, mehr als zehnmal höher als zuvor.

Weiterlesen

• Johnston, Hamish (23. Juli 2015). "Weyl-Fermionen werden endlich gesichtet" . Physik Welt . Abgerufen am 22. November 2018 .
• Ciudad, David (20. August 2015). "Masselos und doch echt" . Naturmaterialien . 14 (9): 863. doi : 10.1038/nmat4411 . ISSN  1476-1122 . PMID  26288972 .
• Jia, Shuang; Xu, Su-Yang; Hasan, M. Zahid (25. Oktober 2016). "Weyl-Halbmetalle, Fermi-Bögen und chirale Anomalie" . Naturmaterialien . 15 (11): 1140–1144. arXiv : 1612.00416 . Bibcode : 2016NatMa..15.1140J . doi : 10.1038/nmat4787 . PMID  27777402 . S2CID  1115349 .

Verweise