Os férmions de Weyl são férmions quirais sem massa que incorporam o conceito matemático de um spinor de Weyl . Os spinores de Weyl, por sua vez, desempenham um papel importante na teoria quântica de campos e no Modelo Padrão , onde são um bloco de construção para férmions na teoria quântica de campos. Os spinores de Weyl são uma solução para a equação de Dirac derivada por Hermann Weyl , chamada de equação de Weyl . [1] Por exemplo, metade de um férmion de Dirac carregado de uma quiralidade definida é um férmion de Weyl. [2]
Os férmions de Weyl podem ser percebidos como quasipartículas emergentes em um sistema de matéria condensada de baixa energia. Essa previsão foi proposta pela primeira vez por Conyers Herring em 1937, no contexto de estruturas de bandas eletrônicas de sistemas de estado sólido, como cristais eletrônicos. [3] [4] Os materiais topológicos nas proximidades da transição de inversão de banda tornaram-se um alvo primário em busca de cruzamentos de banda eletrônica em massa topologicamente protegidos. [5]
O primeiro estado líquido (não eletrônico) que é sugerido, tem excitação similarmente emergente, mas neutra e a anomalia quiral do superfluido teoricamente interpretada como observação de pontos de Fermi está na fase superfluida de Hélio-3 A. [6] O arseneto de tântalo cristalino (TaAs) é o primeiro semimetal de férmion de Weyl topológico descoberto que exibe arcos de Fermi de superfície topológica onde o férmion de Weyl é eletricamente carregado ao longo da linha de sugestão original de Herring. [4] [7]Um férmion de Weyl eletrônico não é apenas carregado, mas estável à temperatura ambiente, onde não há superfluido ou estado líquido conhecido.
Observação experimental
Um semimetal de Weyl é um cristal de estado sólido cujas excitações de baixa energia são férmions de Weyl que carregam carga elétrica mesmo em temperatura ambiente. [9] [10] [11] Um semimetal de Weyl permite a realização de férmions de Weyl em sistemas eletrônicos. [7] É uma fase topologicamente não trivial da matéria, junto com a fase superfluida do Hélio-3 A, que amplia a classificação topológica além dos isoladores topológicos. [12] Os férmions de Weyl com energia zero correspondem a pontos de degeneração da banda de volume, os nós de Weyl (ou pontos de Fermi) que são separados no espaço de momento . Os férmions de Weyl têm quiralidades distintas, tanto para canhotos quanto para destros.
Em um cristal semimetálico de Weyl, as quiralidades associadas aos nodos de Weyl (pontos de Fermi) podem ser entendidas como cargas topológicas, levando a monopolos e anti-monopolos de curvatura de Berry no espaço de momento , que (a divisão) serve como o invariante topológico deste Estágio. [9] Comparáveis aos férmions de Dirac no grafeno ou na superfície de isoladores topológicos , os férmions de Weyl em um semimetal de Weyl são os elétrons mais robustos e não dependem de simetrias , exceto a simetria de translação da rede cristalina. Daí as quasipartículas do férmion de Weylem um semimetal de Weyl possuem um alto grau de mobilidade. Devido à topologia não trivial, espera-se que um semimetal de Weyl demonstre estados eletrônicos de arco de Fermi em sua superfície. [7] [9] Esses arcos são segmentos descontínuos ou disjuntos de um contorno de Fermi bidimensional, que são terminados nas projeções dos nós de férmions de Weyl na superfície. Uma investigação teórica de 2012 do superfluido Hélio-3 [13] sugeriu arcos de Fermi em superfluidos neutros.
Em 16 de julho de 2015 , foram feitas as primeiras observações experimentais de semimetal de férmion de Weyl e arcos topológicos de Fermi em um material monocristal de quebra de simetria de inversão arsenieto de tântalo (TaAs). [7] Tanto os férmions de Weyl quanto os estados de superfície do arco de Fermi foram observados usando imagens eletrônicas diretas usando o ARPES , que estabeleceu seu caráter topológico pela primeira vez. [7] Esta descoberta foi construída sobre previsões teóricas anteriores propostas em novembro de 2014 por uma equipe liderada pelo cientista de Bangladesh M Zahid Hasan . [14] [15]
Pontos de Weyl (pontos de Fermi) também foram observados em sistemas não eletrônicos, como cristais fotônicos, na verdade antes mesmo de sua observação experimental em sistemas eletrônicos [16] [17] [18] e espectro de quasipartícula superfluida de Hélio-3 (férmions neutros). [19] Observe que, embora esses sistemas sejam diferentes dos sistemas eletrônicos de matéria condensada, a física básica é muito semelhante.
Crescimento, estrutura e morfologia do cristal
TaAs é o primeiro semimetal Weyl descoberto (condutor). Cristais TaAs de tamanho grande (~ 1 cm) e de alta qualidade [20] podem ser obtidos pelo método de transporte de vapor químico usando iodo como agente de transporte.
TaAs cristaliza em uma célula unitária tetragonal de corpo centrado com constantes de rede a = 3,44 Å e c = 11,64 Å e grupo espacial I41md (No. 109). Os átomos de Ta e As são seis coordenados entre si. Esta estrutura carece de um plano de espelho horizontal e, portanto, simetria de inversão, o que é essencial para realizar o semimetal de Weyl.
Os monocristais TaAs têm facetas brilhantes, que podem ser divididas em três grupos: as duas superfícies truncadas são {001}, as superfícies triangulares trapezoidais ou isósceles são {101} e as retangulares {112}. TaAs pertence ao grupo de pontos 4mm, os planos {101} e {112} equivalentes devem formar uma aparência ditetragonal. A morfologia observada pode variar de casos degenerados da forma ideal. Além da descoberta inicial de TaAs como semimetal de Weyl, muitos outros materiais, como Co2TiGe, MoTe2, WTe2, LaAlGe, PrAlGe, foram identificados para exibir comportamento semimetálico de Weyl [21] [22]
Aplicações
Os férmions de Weyl no volume e os arcos de Fermi nas superfícies dos semimetais de Weyl são de interesse em física e tecnologia de materiais. [1] [23] A alta mobilidade dos férmions de Weyl carregados pode encontrar uso em eletrônica e computação.
Em 2017, [24] uma equipe de pesquisa da Universidade de Tecnologia de Viena realizando trabalho experimental para desenvolver novos materiais, e uma equipe da Rice University realizando trabalho teórico, produziram material que eles chamam de semimetais Weyl-Kondo. [25]
Um grupo de pesquisadores internacionais liderados por uma equipe do Boston College descobriu em 2019 que o semimetal Weyl Tantalum Arsenide oferece a maior conversão intrínseca de luz em eletricidade de qualquer material, mais de dez vezes maior do que o alcançado anteriormente. [26]
Leitura adicional
- Johnston, Hamish (23 de julho de 2015). "Os férmions de Weyl são vistos finalmente" . Mundo da Física . Acesso em 22 de novembro de 2018 .
- Ciudad, David (20 de agosto de 2015). "Sem massa, mas real" . Materiais da Natureza . 14 (9): 863. doi : 10.1038/nmat4411 . ISSN 1476-1122 . PMID 26288972 .
- Jia, Shuang; Xu, Su-Yang; Hasan, M. Zahid (25 de outubro de 2016). "Semimetais de Weyl, arcos de Fermi e anomalia quiral" . Materiais da Natureza . 15 (11): 1140–1144. arXiv : 1612.00416 . Código Bib : 2016NatMa..15.1140J . doi : 10.1038/nmat4787 . PMID 27777402 . S2CID 1115349 .
Veja também
