Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Science, было проведено командой из Принстонского университета в сотрудничестве с исследователями из Международного физического центра Доностия (DIPC) в Испании и Института химической физики твердых тел Макса Планка в Германии. Исследователи предполагают, что многие из материалов, содержащих фермионы нового типа, являются «защищенными металлами», то есть металлами, которые в большинстве случаев не позволяют развиваться изоляционному состоянию. Это исследование представляет собой новейшее направление в физике «топологических материалов», область науки, которая уже коренным образом изменила способ, которым исследователи видят и интерпретируют состояния материи.
В команду в Принстоне входили Барри Брэдлин и Дженнифер Кано, младшие научные сотрудники Принстонского центра теоретической науки; Чжицзюнь Ван, научный сотрудник отделения физики, Роберт Кава, профессор химии Рассела Веллмана Мура; и B. Андрей Берневич, доцент физики.
В исследовательскую группу также входили Майя Верньори, научный сотрудник DIPC, и Клаудиа Фелзер, профессор физики и химии и директор Института химической физики твердого тела Макса Планка.
В прошлом веке считалось, что бесщелевые фермионы, которые представляют собой квантовые частицы без энергетической щели между их наивысшим заполненным и нижним незаполненным состояниями, бывают трех разновидностей: Дирака, Майорана и Вейля. Физика конденсированного состояния, которая является пионером в изучении квантовых фаз материи, стала благодатной почвой для открытия этих фермионов в различных материалах посредством экспериментов, проводимых в кристаллах.
Эти эксперименты позволяют исследователям исследовать экзотические частицы, используя относительно недорогое лабораторное оборудование, а не большие ускорители частиц.
За последние четыре года все три разновидности бесщелевых фермионов были теоретически предсказаны и экспериментально наблюдались в различных типах кристаллических материалов, выращенных в лабораториях по всему миру. Фермион Вейля считался последним из группы предсказанных квазичастиц в природе.
Исследование, опубликованное ранее в этом году в журнале Nature (Wang et al., DOI: 10.1038 / nature17410) показал, однако, что это не так, с открытием объемного изолятора, вмещающего экзотический поверхностный фермион.
В данной статье команда предсказала и классифицировала возможные экзотические фермионы, которые могут появиться в основной массе материалов. Энергию этих фермионов можно охарактеризовать как функцию их импульса в так называемых энергетических зонах или ветвях. В отличие от фермионов Вейля и Дирака, которые, грубо говоря, демонстрируют энергетический спектр с 2- и 4-кратными ветвями разрешенных энергетических состояний, новые фермионы могут иметь 3-, 6- и 8-кратные ветви.
3-, 6- или 8-кратные ветви встречаются в точках, называемых точками вырождения, в зоне Бриллюэна, которая является пространством параметров, в котором импульс фермиона принимает свои значения.
«Симметрии необходимы для четкого определения фермионов, а также для раскрытия их физических свойств», – сказал Брэдлин. «Локально, исследуя физику вблизи точек вырождения, можно думать о них как о новых частицах, но это только часть истории», – сказал он.
Кано добавил: «Новые фермионы знают о глобальной топологии материала.
Важно отметить, что они соединяются с другими точками в зоне Бриллюэна нетривиальным образом."
В ходе поиска материалов, демонстрирующих новые фермионы, команда открыла принципиально новый и систематический способ обнаружения металлов в природе. До сих пор поиск металлов предполагал детальные расчеты электронных состояний вещества.
«Присутствие новых фермионов позволяет гораздо проще определить, является ли данная система защищенным металлом или нет, в некоторых случаях без необходимости выполнять подробный расчет», – сказал Ван.
Верджинори добавил: «Можно просто подсчитать количество электронов в кристалле и на основе симметрии выяснить, существует ли новый фермион в пределах наблюдаемого диапазона."
Исследователи предполагают, что это связано с тем, что новым фермионам требуется, чтобы несколько электронных состояний встретились по энергии: фермион с 8 ветвями требует наличия 8 электронных состояний. Таким образом, система только с 4 электронами может занимать только половину этих состояний и не может быть изолирующей, тем самым создавая защищенный металл.
«Взаимодействие между симметрией, топологией и материаловедением, на которое указывает присутствие новых фермионов, вероятно, сыграет более фундаментальную роль в нашем будущем понимании топологических материалов – как полуметаллов, так и изоляторов», – сказал Кава.
Фельзер добавил: «Мы все представляем будущее квантовой физической химии, в котором можно будет записать формулу материала, посмотреть как на симметрию кристаллической решетки, так и на валентные орбитали каждого элемента, и, не выполняя вычислений, получить возможность определить, является ли материал топологическим изолятором или защищенным металлом."