Супер проводник или полуметалл Вейля нашли учёные
Главная страница » Супер проводник или полуметалл Вейля нашли учёные
Китайскими учёными совместно с коллегами Калифорнийского университета Дэвиса проведены измерения на проводимость очень тонких слоёв арсенида ниобия — материала, получившего название полуметалл Вейля. Этот материал уникален тем, что обладает проводимостью примерно втрое выше проводимости меди, определяемой в условиях комнатной температуры. Результаты исследований в этом направлении опубликованы изданием «Nature Materials».
Материал супер проводник или полуметалл Вейля
Инновационные материалы, структура которых отличается высокой степенью проводимости электричества, представляют значительный интерес в научных кругах, в частности, для физиков и материаловедов. Повышенный интерес обусловлен, как фундаментальными исследованиями, так и прогрессивным моментом, обещающим привести к появлению совершенно новых видов электронных устройств.
Ранее подобными исследованиями занимались специалисты по теоретической физике конденсированных сред и не только. Вместе с другими учёными удалось открыть существование полуметалла Вейля. Это открытие выпало на период 2011 года.
Благодаря китайским специалистам, удалось изготовить и провести испытания небольших по размеру компонентов – нанолент. Такие наноленты, сделанные на основе арсенида ниобия, подтвердили предсказания существования теории полуметаллов. Наноленты имеют настолько малую толщину, что по существу выступают двумерным материалом.
Полуметалл Вейля, как поясняют специалисты-исследователи, это не чистый проводник и не чистый изолятор. Вещество представляет нечто среднее между такими структурами. Арсенид ниобия, например, показывает крайне низкую проводимость в объёмной составляющей, но при этом обладает металлической поверхностью, проводящей электрический ток. Поверхность защищена топологически. Другими словами — не подлежит изменению без физического разрушения сыпучего материала.
Для большинства материалов поддерживается изменение поверхностей химическим способом, поскольку эти объекты способны поглощать примеси из окружающей среды. Поглощаемые примеси нередко становятся преградой для свойства проводимости. Но топологически защищенные поверхности такой процесс не поддерживают. Поэтому теоретически ожидается, что поверхности Вейля – это супер проводники, поскольку не поглощают примесей.
Малое сопротивление и меньшее тепло
Если взять к рассмотрению электроны, протекающие через материал, достаточно чётко представляется эффект отражения (рассеивания) электронов от поглощённых примесей. На квантовом уровне проводящий материал имеет поверхность Ферми, которая описывает все квантовые энергетические состояния, присущие электронам. Эта поверхность Ферми оказывает кардинальное влияние на свойства проводимости материала.
Экспериментальные наноленты, упомянутые выше, имели ограниченную поверхность Ферми (ферми-дугу), которая способствует рассеиванию электронов только в ограниченном диапазоне квантовых состояний. Структуры, обладающие высокой проводимостью в крайне малых масштабах, видятся полезными, учитывая тенденцию миниатюризации электронных схем. Меньшее электрическое сопротивление, к тому же, сопровождается генерацией меньшего количества тепла.
При помощи информации: UniversityOfCalifornia
Полуметаллы — Википедия
Полумета́ллы (металлоиды) — химические элементы, расположенные в периодической системе на границе между металлами и неметаллами. Для них характерно наличие ковалентной кристаллической решётки и металлической проводимости.
В физике твёрдого тела полуметаллами называются различные вещества, занимающие по электрическим свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками.
К полуметаллам относят кремний, бор, германий, мышьяк, сурьму, теллур, иногда — висмут, полоний[1][2] и астат, а также олово, имеющее полупроводниковую форму, и аллотропные модификации углерода — графит и фосфора — металлический фосфор.
Вероятно, теннессин также является полуметаллом
По своим химическим свойствам элементы бор, кремний, мышьяк и теллур являются неметаллами, но германий и сурьма наряду с неметаллическими свойствами обладают и металлическими (например, реагируют с кислотами с образованием солей). По типу проводимости бор, кремний, германий и теллур относятся к полупроводникам, а мышьяк и сурьма обладают металлической проводимостью. Расплавы германия и кремния также обладают металлической проводимостью. По своим внешним характеристикам ярко выраженными признаками металлов (характерный блеск, цвет) обладают германий, сурьма и теллур, у бора, кремния и мышьяка они выражены гораздо слабее. Для всех простых веществ данных элементов характерно кристаллическое строение, высокая твёрдость и хрупкость.
В отличие от полупроводников полуметаллы обладают электрической проводимостью вблизи абсолютного нуля температуры, в то время как полупроводники (тем более диэлектрики) в этих условиях — изоляторы[4].
Характерной особенностью полуметаллов является слабое перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, что приводит, с одной стороны, к тому, что полуметаллы остаются проводниками электрического тока вплоть до абсолютного нуля температуры, а с другой стороны — с повышением температуры число носителей тока (электронов и дырок) возрастает, но всё-таки остаётся небольшим, достигая концентрации 10
Носители тока в полуметаллах отличаются большой подвижностью и малой эффективной массой. Благодаря этому полуметаллы — наиболее подходящие объекты для наблюдения размерных эффектов, фазовых переходов полуметалл — диэлектрик в сильных магнитных полях и ряда других явлений.
Полуметаллы бывают разных типов: элементы, более близкие по свойствам к металлам (германий, сурьма, полоний), элементы, средние по свойствам, то есть имеющие металлические внешние признаки, а по химическим реакциям более близкие к неметаллам (бор, кремний, мышьяк, теллур), элементы, почти полностью являющиеся металлами, но проявляющие слегка заметные неметаллические признаки (бериллий, алюминий, висмут, олово, галлий, цинк) и элементы, проявляющие неметаллические свойства, но по некоторым аллотропным модификациям сходные с металлами (водород (неметалл полностью по всем внешним признакам, но в химических реакциях ведёт себя как металл), углерод (мод. графит), фосфор (мод. чёрный фосфор), селен (мод. серый селен) и йод). Получается, что к классу «неметаллы» полностью относятся только азот, кислород, фтор, сера, хлор, бром и все инертные газы.
Вейль полуметаллом — Weyl semimetal
Вейлевские фермионов являются безмассовыми хиральными фермионами , которые играют важную роль в квантовой теории поля и стандартной модели . Они считаются строительным блоком для фермионов в квантовой теории поля, и были предсказаны из раствора к уравнению Дирака , получаемое Вейль называется уравнением Вейля . Например, одна половины заряженного дираковского фермиона определенной хиральности является фермионом Вейля.
Они не были обнаружены как фундаментальная частица в природе. Вейлевские фермионы могут быть реализованы в виде возникающих квазичастиц в системе конденсированных сред с низким уровнем энергии. Этот прогноз был впервые предложен Коньерс Herring в контексте электронных зонных структур твердотельных систем , такие как электронные кристаллы.
Первое (неэлектронное) жидкое состояние , которое предлагается обладает аналогичным возникающим , но нейтральным возбуждением и теоретически истолковано сверхтекучей «ы хиральной аномалии , как наблюдение Ферми точек в Гелии-3 жидкостей A. Кристаллический тантал арсенид (ТАА) является первым обнаружили топологической Вейль фермионного полуметалл экспонирования топологической поверхность Ферми дуг , где Вейль фермионным электрический заряженные по линии первоначального предложения сельди. Электронный Вейль фермионный не только заряженные , но стабильно при комнатной температуре , где нет такого сверхтекучего или жидкого состояния известно.
Экспериментальное наблюдение
Вейль полуметалла представляет собой твердотельный кристалл которого низкая энергия возбуждения являются вейлевские фермионы , которые несут электрический заряд даже при комнатной температуре. Вейлев полуметалл позволяет реализовывать вейлевские фермионы в электронных системах. Это топологический нетривиальная фаза материи, вместе с гелием-3 сверхтекучей фазой, что расширяет топологическую классификацию за пределами топологических изоляторов. Фермионы вейлевских при нулевой энергии соответствуют точкам объемных зонного вырождения, узлы вейлевских (или Ферми точки), которые разделены в пространстве импульсов . Вейлевские фермионы имеют различную киралыюсть, либо левую руку или правую рука.
В полуметалла кристалла вейлевского, киральность , связанные с узлами вейлевских (Ферми точек) можно понимать как топологические заряды, что приводит к монополям и анти-монополям Berry кривизны в импульсном пространстве , которое (расщепление) служат в качестве топологического инварианта этого фаза. Сопоставимый с фермионами Дирака в графене или на поверхности топологических изоляторов , вейлевские фермионы в полуметалле Вейля являются наиболее надежными и электронами не зависят от симметрии , кроме трансляционной симметрии кристаллической решетки. Поэтому фермионов вейлевские квазичастицы в Вейль полуметалле обладают высокой степенью мобильности. В связи с нетривиальной топологией, полуметалл Вейля , как ожидается, продемонстрирует Ферми дуговой состоянии электронов на ее поверхность. Эти дуги прерывистые или непересекающиеся отрезки двумерный контура Ферми, которые прекращаются на проекции фермионных узлов Вейля на поверхности. 2012 теоретического исследование сверхтекучего гелия-3 предложило Ферми дуг в нейтральной сверхтекучести.
Детектор изображение (вверху) сигнализирует о существовании фермионных узлов Вейля и дуг Ферми. Плюс и минус знаки отметить хиральность частицы. Схема (внизу) показывает путь вейлевских фермионы внутри кристалла можно рассматривать, как монополь и антимонополь в импульсном пространстве. (Изображение искусства Су-Yang Xu и М. Захид Hasan)16 июля 2015 г. было сделано первые экспериментальные наблюдения Вейля фермионного полуметалла и топологических дуг Ферми в качестве нарушения симметрии монокристаллического материала тантала арсенида инверсии (ТАА). Оба вейлевские фермионы и Ферми дуги поверхностные состояния наблюдали с использованием прямой электронной томографии с помощью ARPES спектроскопии, который установил свой топологический характер в первый раз. Это открытие было построено на основе предыдущих теоретических предсказаний , предложенных в ноябре 2014 г. группой под руководством бангладешских ученого M Захида Хасана.
Вейлевские точки (точки) Ферми наблюдались также в не-электронных системах, такие как фотонные кристаллы и гелий-3 сверхтекучий квазичастичный спектр (нейтральные фермионы). Эта статья о вейлевских полуметаллах (электрические проводники).
Рост кристаллов, структура и морфология
ТАА является первым обнаружил вейлевский полуметалл (проводник). Большой размер (~ 1 см), высококачественных монокристаллов TAAS могут быть получены методом химического осаждения из паровой транспортного с использованием йода в качестве транспортного агента.
ТАА кристаллизуется в тетрагональной объемно-центрированной элементарной ячейки с постоянными решетки а = 3,44 А и С = 11,64 Å и пространственная группа I41md (№ 109). Атомы Ta и As шесть скоординированы друг с другом. Следует отметить , что эта структура не имеет горизонтальной плоскости отражения и , таким образом , инверсионной симметрии, которая является существенной для реализации вейлевский полуметалла.
ТАА одиночные кристаллы имеют блестящие грани, которые можно разделить на три группы: две усеченные поверхности {001}, трапеции или равнобедренного треугольника , поверхности {101}, и прямоугольные {112}. ТАА принадлежит к точечной группе 4 мм, что эквивалентно {101} и {112} плоскости должны образовывать ditetragonal внешнего вида. Наблюдалась морфология может быть варьироваться в вырожденных случаях идеальной формы.
Приложения
Фермионы вейлевских в объеме и дугах Ферми на поверхности Вейль полуметаллов представляют интерес в физике и технологии материалов. Высокая подвижность заряженных фермионов вейлевских может найти применение в электронике и вычислительной технике.
В 2017 году группы исследователей из Венского технологического университета проведение экспериментальных работ по разработке новых материалов, и команда в Университете Райс проводит теоретические работы подготовила материал, который они называют в качестве Вейля-Kondo полуметалла.
дальнейшее чтение
Рекомендации
12.03.2016
В августе 2015 г. журнал Science опубликовал статью международной группы ученых из США, Китая, Сингапура и Тайваня о первом наблюдении квазичастицы под названием «фермион Вейля» (Discovery of a Weyl fermion semimetal and topological Fermi arcs. Science, v. 349, No. 6248, 613-617 (2015)).Открытие новой субатомной частицы произошло не в ускорителе частиц – оно было сделано в синтетическом кристалле, Вейлевские квазичастицы ученые обнаружили в экспериментах по прохождению света через одну из форм кристаллов арсенида тантала (соединения мышьяка и тантала). Направляя на арсенид тантала электромагнитные пучки (рентгеновские и ультрафиолетовые), физики проанализировали прошедший сквозь него луч, физические свойства которого позволили авторам заключить, что внутри кристалла существуют возбуждения решетки, проявляющие себя как вейлевские квазичастицы. Они ведут себя как безмассовые электроны, намного более подвижны и почти не взаимодействуют друг с другом. Ученые считают, что новая частица может привести к появлению сверхбыстрой электроники и продвинуть нас еще глубже в мир квантовых вычислений.
Фермионы Вейля представляют собой фундаментальные частицы, существование которых впервые было предсказано Германом Вейлем (Hermann Weyl) еще в 1929 году, однако экспериментально эти частицы до 2015 г. не наблюдались. Теоретически фермионы Вейля можно детектировать в материалах, известных как «полуметаллы Вейля» (Weyl semimetals), в которых выполняются определенные условия симметрии строения и другие условия. До 2015 г. исследователям не удавалось получить даже полуметалл Вейля, поскольку для того чтобы достичь необходимой электронной структуры обычно требуется весьма тонкая подстройка химического состава материала. Тем не менее, в начале 2015 г. две исследовательские группы независимо друг от друга предсказали, что арсенид тантала должен обладать свойствами полуметалла Вейля (Phys. Rev. X 5, 011029, 2015; Nature Communications 6, 7373, 2015).
Фермионы Вейля с успехом могут заменить электроны в электрических цепях. В отличие от электронов они не подвержены так называемому обратному рассеянию, при котором частица наталкивается на препятствие и теряется для тока, вдобавок генерируя тепло. Фермионы же Вейля просто проходят сквозь это препятствие, словно не замечая его, либо обтекают его.
Справка. Частицы с полуцелым спином называются фермионами и подчиняются статистике Ферми, согласно которой данное состояние может занимать не более,чем один фермион. Частицы с целым спином называются бозонами и подчиняются статистике Бозе, согласно которой данное состояние может занимать произвольное количество бозонов.
Вернуться к списку анонсов
Ученые МФТИ объяснили «танцы» вейлевских частиц на поверхности кристаллов
Ученые из МФТИ исследовали поведение вейлевских частиц захваченных на поверхность полуметаллов Вейля.
Существование вейлевских фермионов (таково строгое название вейлевских частиц), было предсказано немецким физиком Германом Вейлем ещё в начале 20 века. Однако титанические усилия по их обнаружению в природе долгое время были безуспешными. Лишь в 2015 году они были обнаружены на опыте, и не в огромных коллайдерах, как ожидалось, а в миниатюрных кристаллах, получивших название вейлевских полуметаллов. Исследования этих материалов стремительно развиваются и являются одной из самых «горячих» точек современной физики.
Вейлевский полуметалл является трехмерным аналогом графена, двумерного кристалла с уникальными свойствами, за открытие которого выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике в 2010 г. Электроны в графене и полуметаллах Вейля считаются безмассовыми частицами, как фотоны, но в отличие от последних обладают электрическим зарядом, с чем связаны перспективы применений в электронике. Важно, что свойства электронов в этих и ряде других материалов обладают, как недавно выяснилось, качественно новыми особенностями, описываемыми топологической теорией. Интересно отметить, что за внедрение общих топологических представлений в физику конденсированного состояния группа ученых получила Нобелевскую премию по физике 2016 года.
В теоретическом исследовании, проведенном аспирантом МФТИ Жанной Девизоровой под руководством профессора МФТИ Владимира Волкова, рассматривались поверхностные состояния вейлевских фермионов, то есть, на другом языке, поведение электронов вблизи поверхности кристалла, являющегося вейлевским полуметаллом. Особые состояния электронов на поверхности кристалла — поверхностные состояния — были предсказаны и теоретически исследованы в простейших моделях будущими нобелиатами Игорем Таммом (СССР) и, позже, Вильямом Шокли (США) еще в 30-е годы 20 века, но стали интенсивно изучаться экспериментально сравнительно недавно. О практической важности этих исследований говорит тот факт, что вся современная микроэлектроника основана на эксплуатации токопроводящих приповерхностных каналов на кремнии, который, впрочем, не является топологическим материалом. Соответствующая статья была опубликована в Physical Review В, в престижном разделе Rapid Communications.
Поведение любой частицы во внешних полях определяется законом дисперсии — зависимостью энергии частицы от ее импульса. Именно закон дисперсии электронов (синоним: электронный спектр) определяет электронные свойства кристалла, например, электропроводность. Электронный спектр в объеме вейлевского полуметалла описывается совокупностью четного числа конусов — «долин», центрированных в особых точках импульсного пространства.
Замечательными особенностями обладает поверхность такого кристалла. Экзотическая форма закона дисперсии частиц, заселяющих поверхностные состояния в вейлевских полуметаллах, является визитной карточкой вейлевских полуметаллов. Точки спектра, соединяющие состояния с одинаковой энергией необычны: они не замкнуты и имеют форму дуг в двумерном импульсном пространстве. Дуги связывают принадлежащие разным долинам конические точки в электронном спектре и называются ферми-арками (для обычных электронов эти контуры замкнуты и похожи на окружность). Теоретическое описание ферми-арок до сих пор было основано на очень сложных («первопринципных») и не прозрачных компьютерных расчетах. Ученые из МФТИ учли, что далеко от границы вейлевские фермионы в каждой долине подчиняются дифференциальным уравнениям Вейля, и сумели вывести граничные условия, которые впервые корректно учитывают междолинное взаимодействие на поверхности полуметалла. Систему уравнений Вейля для двух долин с этими граничными условиями удалось решить «вручную» и, поэтому, аналитически найти форму ферми-арок. Результат описывает опытные данные не только качественно, но и количественно, и доказывает, что основной причиной формирования ферми-арок является сильное междолинное взаимодействие при рассеянии вейлевских фермионов на поверхности кристалла.
Использование вейлевских полуметаллов может оказаться чрезвычайно полезным при создании сверхбыстрой электроники. Сейчас разрабатывается, пока теоретически, новое поколение электронных приборов на основе вейлевских полуметаллов. Аналитический подход, разработанный учеными из МФТИ, позволяет сравнительно просто учитывать влияние на вейлевские фермионы электрических и магнитных полей. Эвристический потенциал разработанного метода может существенно облегчить продвижение в приборном направлении.
Полуметаллы — высокие проводники
Полуметаллы Вейля — это новый тип материала между проводниками и изоляторами. Новая работа UC Davis и китайских исследователей показывает, что двумерные наноленты арсенида ниобия могут демонстрировать очень высокую проводимость. Слева — трансмиссионная ЭМ нанобельтов из арсенида ниобия, изготовленных в лаборатории; правое изображение — сканирующий ЭМ с большим увеличением, показывающий правильную структуру поверхности. Электрический ток может течь легко из-за квантовых свойств наноматериала. Кредит: Сергей Саврасов, UC Davis
Исследователи из Китая и Калифорнийского университета в Дэвисе измерили высокую проводимость в очень тонких слоях арсенида ниобия, материала, называемого полуметаллом Вейля. Материал обладает примерно в три раза большей проводимостью меди при комнатной температуре, говорит Сергей Саврасов, профессор физики в Калифорнийском университете в Дэвисе. Саврасов является соавтором статьи, опубликованной 18 марта в журнале Nature Materials.
Новые материалы, которые проводят электричество, представляют большой интерес для физиков и материаловедов, как для фундаментальных исследований, так и потому, что они могут привести к появлению новых типов электронных устройств.
Саврасов работает по теоретической физике конденсированных сред. Вместе с другими он предложил существование полуметалла Вейля в 2011 году. Китайская команда смогла изготовить и испытать маленькие кусочки, называемые наноленты, из арсенида ниобия, подтверждая предсказания теории. Наноленты настолько тонкие, что по существу они двумерные.
«Полуметалл Вейля — это не проводник или изолятор, а нечто среднее», — сказал Саврасов. Арсенид ниобия, например, является плохим проводником в объеме, но имеет металлическую поверхность, которая проводит электричество. Поверхность защищена топологически, что означает, что ее нельзя изменить, не разрушив сыпучий материал .
С большинством материалов поверхности могут быть химически изменены, поскольку они поглощают примеси из окружающей среды. Эти примеси могут мешать проводимости. Но топологически защищенные поверхности отвергают эти примеси.
«Теоретически мы ожидаем, что поверхности Вейля будут хорошими проводниками, поскольку они не переносят примесей», — сказал Саврасов.
Если вы думаете об электронах, протекающих через материал, представьте, что они отскакивают или рассеиваются от примесей. На квантовом уровне проводящий материал имеет поверхность Ферми, которая описывает все квантовые энергетические состояния, которые могут занимать электроны. Эта поверхность Ферми влияет на проводимость материала.
Наноленты, испытанные в этих экспериментах, имели ограниченную поверхность Ферми или ферми-дугу, что означало, что электроны могли рассеиваться только в ограниченном диапазоне квантовых состояний.
«Ферми-дуга ограничивает состояния, к которым могут приходить электроны, поэтому они не рассеиваются», — сказал Саврасов.
Материалы, обладающие высокой проводимостью в очень малых масштабах, могут быть полезны, поскольку инженеры стремятся создавать все меньшие и меньшие схемы. Меньшее электрическое сопротивление означает, что при прохождении тока генерируется меньше тепла.
Источник информации: https://phys.org/news/2019-03-semimetals-high-conductors.html#jCp
Учёные нашли магнитный полуметалл с физикой Вейля
Главная страница » Учёные нашли магнитный полуметалл с физикой Вейля
Топология является глобальным аспектом материалов, что приводит к фундаментальным новым свойствам для соединений с большими релятивистскими эффектами. Включение тяжелых элементов приводит к нетривиальным топологическим фазам материи, таким как топологические изоляторы, частицы Дирака и Вейлевские полуметаллы.
Краткая характеристика полуметаллов
Полуметаллы характеризуются касательными полосами с линейной дисперсией, подобными безмассовым релятивистским частицам в физике высоких энергий. Взаимодействие симметрии, релятивистских эффектов в магнитных материалах и магнитной структуре позволяет реализовать широкий спектр топологических фаз с помощью конструкции кривизны Берри.
Кривизна Берри описывает сцепление валентной зоны и зоны проводимости в энергетической зонной структуре. Вейлевские точки и другие топологические электронные полосы могут управляться различными внешними возмущениями (магнитным полем, давлением и др.).
Всё это приводит к экзотическим локальным свойствам, таким как киральная или гравитационная аномалия, а также сопровождается крупными топологическими эффектами Холла. Подобные эффекты и аномалии характеризует физика высоких энергий и астрофизика.
Вейлевские полуметаллы требуют нарушенной симметрии инверсионных кристаллов или симметрии времени-обращения (через магнитный порядок или приложенное магнитное поле). До сих пор не было реализовано никаких собственных магнитных полугрупп Вейля с узлами Вейля, близкими к энергии Ферми.
Новые открытия учёных
И вот недавние результаты исследований ученых Института химической физики твердого тела им. Макса Планка (Дрезден), действующих в сотрудничестве с Техническим университетом Дрездена, учеными из Пекина, Принстона, Оксфорда и др., обернулись доказательствами для физики Вейля по отношению к магнитному шандиту Co3Sn2S2.
Семейство кристаллов шандита содержит переходные металлы на квазидвумерной решетке Кагоме, что может вызвать магнетизм. Одним из наиболее интересных полуметаллов является Co3Sn2S2, обладающий самой высокой температурой магнитного упорядочения в этом семействе. Магнитные моменты на атомах Со, при этом выровнены в направлении, перпендикулярном плоскости Кагоме.
Обнаружилось, что шандит Co3Sn2S2 демонстрирует гигантский аномальный эффект Холла и гигантский угол Холла при температурах до 150ºК, что указывает на полуметалл Вейля. Последующие расчеты зонной структуры действительно показывают наличие узлов Вейля, близких к энергии Ферми.
Более того, измерения магнитотранспорта свидетельствуют о хиральной аномалии, которая является четкой сигнатурой полуметалла Вейля. Поэтому работа группы учёных дает четкий путь к наблюдению квантового аномального эффекта Холла при комнатной температуре путём изучения семейств магнитных полуметаллов Вейля.
На основе материалов: MPP
