Создан первый в мире идеальный вейлевский полуметалл

Международная команда исследователей, возглавляемая Лабораторией квантового транспорта сильных корреляций RIKEN CEMS, впервые в мире продемонстрировала идеальный вейлевский полуметалл. Это открытие решает десятилетнюю проблему в области квантовых материалов.

Вейлевские фермионы возникают как коллективные квантовые возбуждения электронов в кристаллах и обладают экзотическими электромагнитными свойствами, что делает их объектом пристального внимания ученых по всему миру. Однако до сих пор исследуемые материалы показывали неидеальную проводимость, где основную роль играли незначительные электронные состояния, мешавшие наблюдать эффекты вейлевских фермионов. Теперь ученые создали материал, содержащий единственную пару вейлевских фермионов без ненужных электронных состояний.

Работа была опубликована в журнале Nature и стала результатом четырехлетнего сотрудничества между RIKEN, Университетом Токио, Университетом Тохоку и Технологическим университетом Наньян в Сингапуре. Исследователи создали вейлевский полуметалл на основе топологического полупроводника Bi₂Te₃, заменив в нем часть висмута на хром, что позволило получить (Cr,Bi)₂Te₃.

По словам одного из авторов, Рёты Ватанабэ, аномальный эффект Холла, наблюдаемый в этом материале, стал сигналом наличия новой физики. Уникально простая электронная структура позволила объяснить результаты с помощью точной теории, связывая этот эффект с вейлевскими фермионами.

Илья Белопольский из RIKEN отметил, что открытие стало неожиданностью, так как теоретические и экспериментальные основы для создания такого материала были известны уже десять лет назад, но отсутствие коммуникации между разными научными сообществами замедлило прогресс. Успех исследования он объяснил уникальной атмосферой творчества и сотрудничества в RIKEN.

Новое открытие имеет потенциал для применения в терагерцевых устройствах. Полуметаллы, в отличие от полупроводников, могут поглощать низкочастотный свет, включая терагерцевые волны. Исследователи также предполагают использование материала в высокочувствительных сенсорах, энергоэффективной электронике и новых оптоэлектронных устройствах.