Физики наблюдали необычное перемещение электронов вглубь кристалла полуметалла Вейля по особым проводящим каналам.

Исследователи из Принстонского университета обнаружили странное уникальное поведение электронов в кристалле арсенида тантала (TaAs), представляющего собой так называемый полуметалл Вейля. В отличие от большинства материалов, в которых электроны перемещаются по поверхности, здесь электроны опускались вглубь кристалла через особые проводящие каналы. Это явление возможно откроет новые перспективы в электронных технологиях. Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Science.

Трехмерное изображение переходов электронов, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа

На рисунке показана схема соединений поверхностей кристалла при определенных значениях импульса электрона (точки Вейля). Электрон покидает поверхность в красной точке и может вернуться в синей точке-партнере и наоборот.

Кристаллическая структура арсенида тантала. Атомы тантала показаны синим, а мышьяка – зеленым цветом.

В 1928 году Поль Дирак вывел свое известное уравнение, описывающее физику частиц со спином 1/2, получивших название фермионы. Именно на его основе он предсказал существование позитрона. Но оказалось, что уравнение Дирака допускает и другие решения, которые  соответствуют более экзотическим частицам. В 1929 году немецкий математик Герман Вейль получил решение для безмассовых частиц, названных фермионами Вейля. За прошедшие почти 90 лет их так и не удалось обнаружить как фундаментальные частицы. Однако теория предсказывала, что они могут существовать как квазичастицы – коллективные возбуждения электронов в кристаллах особых полуметаллов, получивших имя Вейля. Только в 2015 году исследователям из того же Принстонского университета удалось доказать, что таким материалом является арсенид тантала.

Вейлевские фермионы представляют большой интерес, поскольку их безмассовость позволит управлять ими намного быстрее, чем обычными электронами. Поэтому вейлевские полуметаллы могут быть использованы для создания быстрых электронных устройств. Здесь надо понимать, что электроны, разумеется, имеют массу, а вот поведение квазичастицы в соответствии с квантовыми законами соответствует нулевой эффективной массе.

Кроме того, вейлевские частицы топологически защищены. Это квантовое явление означает, что свойства движения этих частиц таковы, что они не могут быть рассеяны дефектами или возмущениями среды. Они как бы огибают их. А это приводит к тому, что, во-первых, они испытывают малое или вообще нулевое (как в сверхпроводниках) сопротивление. А, во-вторых, их движение очень стабильно и не подвержено влиянию шумов и дефектов материала.

Именно такой необычный материал исследовали авторы данной работы. Им удалось обнаружить еще одно его уникальный свойство. При определенной скорости и направлении движения (импульсе) электроны погружались в кристалл и появлялись на противоположной поверхности. 

Исследователям даже удалось получить трехмерные картинки таких переходов с помощью высокочувствительного сканирующего туннельного микроскопа, одного из немногих инструментов, с помощью которого можно наблюдать электронные волны на поверхности кристалла.

Как сказал один из авторов работы, профессор физики Али Яздани (Yazdani), это похоже на то, что электроны идут вниз по кроличьей норе. В других материалах ничего подобного нет.

Значения импульса, при которых возникает эффект (вейлевские точки, или узлы), можно рассматривать как порталы, где электроны переходят с одной поверхности на противоположную. Теория предсказывает, что эти точки существуют парами, так что ушедший электрон может вернуться через точку-партнера.

По материалам Принстонского университета