I ricercatori del MIPT hanno esaminato il comportamento delle particelle Weyl intrappolate sulla superficie dei semimetalli Weyl. Il loro studio è stato pubblicato nella prestigiosa sezione Rapid Communications di Revisione fisica B .

La particella di Weyl, o il fermione di Weyl, per usare un termine più preciso, fu predetto all'inizio del XX secolo da Hermann Weyl, un fisico tedesco. Nonostante la sua previsione iniziale e gli enormi sforzi diretti alla ricerca dell'illusoria particella di Weyl, è stato scoperto solo sperimentalmente nel 2015. Contrariamente alle aspettative, il Weyl non è stato osservato in un gigantesco collisore, ma in minuscoli cristalli, che divenne noto come semimetalli Weyl. Da allora questi materiali hanno attirato molta attenzione, rendendo questa area di ricerca una delle più calde della fisica moderna.

I semimetalli Weyl possono essere considerati un equivalente 3-D del grafene, il cristallo 2-D con proprietà uniche scoperto dai diplomati del MIPT Andre Geim e Konstantin Novoselov, che hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2010. Gli elettroni nel grafene e nei semimetalli Weyl si comportano come particelle prive di massa simili ai fotoni. Però, a differenza dei fotoni, queste particelle hanno una carica elettrica, rendendoli promettenti per applicazioni in elettronica. Come risulta, le bizzarre proprietà degli elettroni in questo tipo di materiali possono essere descritte in termini di teoria del campo topologico. Il Premio Nobel 2016 per la fisica è stato assegnato agli scienziati che hanno introdotto concetti topologici nella fisica degli stati condensati.

In uno studio teorico supervisionato dal Prof. Vladimir Volkov del MIPT, Zhanna Devizorov, un dottorato di ricerca studente al MIPT, esaminato gli stati superficiali dei fermioni di Weyl, cioè., come si comportano gli elettroni vicino alla superficie di un cristallo semimetallico Weyl. Gli stati speciali degli elettroni vicino alla superficie di un cristallo, noti come stati di superficie elettronici, sono stati previsti negli anni '30 dai futuri vincitori del Premio Nobel Igor Tamm (URSS) e William Shockley (USA), che propose e studiò i primi modelli teorici di questi stati. Però, solo di recente gli stati di superficie hanno attirato l'attenzione dei ricercatori. Il significato pratico di questo campo di ricerca è evidenziato dal fatto che la moderna microelettronica che utilizza il silicio si basa universalmente su canali conduttivi vicini alla superficie. Però, il silicio in sé non è un materiale topologico.

Il comportamento di qualsiasi particella sotto un campo esterno è determinato dalla legge di dispersione che mette in relazione l'energia della particella con la sua quantità di moto. Secondo la legge di dispersione, lo spettro energetico degli elettroni in un cristallo definisce tali proprietà elettroniche come la conduttività. Lo spettro energetico di massa degli elettroni in un semimetallo Weyl è descritto da un insieme costituito da un numero pari di coni Weyl, o valli, centrata in punti speciali nello spazio della quantità di moto.

La superficie di un tale cristallo ha proprietà notevoli. I semimetalli Weyl si distinguono per lo spettro energetico caratteristico delle particelle che popolano i loro stati superficiali. In questi spettri esotici, le curve che rappresentano stati con uguale energia sono non chiuse e appaiono come archi nello spazio del momento bidimensionale. Questi cosiddetti archi di Fermi collegano punti dello spettro elettronico che appartengono a diversi coni di Weyl. A differenza dei fermioni di Weyl, gli elettroni ordinari sono caratterizzati da curve di Fermi chiuse a forma di cerchio. Fino ad ora, tutte le descrizioni teoriche degli archi di Fermi si sono basate su calcoli informatici complicati e oscuri basati su principi primi.

Gli scienziati del MIPT hanno approfittato del fatto che i fermioni di Weyl situati lontano dalla superficie del cristallo obbediscono alle equazioni differenziali di Weyl per derivare le condizioni al contorno che spiegano con successo le interazioni a intervalli sulla superficie del semimetallo. Risolsero il sistema delle equazioni di Weyl per due valli "a mano, " tenendo conto delle condizioni al contorno derivate, trovando così analiticamente la forma degli archi di Fermi. In effetti, offrivano una descrizione quantitativa e qualitativa dei dati sperimentali, e ha dimostrato che la formazione dell'arco di Fermi è principalmente guidata da una forte interazione intervallata sotto la diffusione di fermioni di Weyl sulla superficie del cristallo.

È concepibile che i semimetalli Weyl possano consentire l'elettronica ultraveloce. I ricercatori teorici stanno attualmente esaminando i principi che gettano le basi per i dispositivi elettronici di prossima generazione basati sui semimetalli Weyl. Questo approccio analitico è un modo relativamente semplice di spiegare l'influenza dei campi elettrici e magnetici sui fermioni di Weyl. Il potenziale euristico di questo approccio potrebbe facilitare notevolmente il progresso verso un'elettronica più veloce ed efficiente.