Новости химической науки > Неуловимый фермион найден!

Две международные группы исследователей заявляют, что обнаружили основной «строительный блок» электрона – фермион Вейля, существование которого было предсказано еще 86 лет назад [1,2]. Открытие этой новой субатомной частицы произошло не в ускорителе частиц – оно было сделано в синтетическом кристалле.

Как заявляют первооткрыватели, не обладающий массой фермион может позволить разработать сверхбыстрые электронные и фотонные устройства.

Изображение, регистрируемое детектором (сверху) говорит о существовании фермиона Вейля. Поведение фермионов Вейля в кристалле (снизу) может объяснить их подвижность. (Рисунок из Science, DOI: 10.1126/science.aaa9297)

Фермионы Вейля представляют собой фундаментальные частицы, существование которых впервые было предсказано Германом Вейлем (Hermann Weyl) еще в 1929 году, однако экспериментально эти частицы до настоящего времени 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 настоящего времени 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 этого года две исследовательские группы независимо друг от друга предсказали, что арсенид тантала должен обладать свойствами полуметалла Вейля [3,4].

Обе группы решили проверить свои предсказания, получив кристаллы арсенида тантала и использовав этот материал для наблюдения фермиона Вейля. Как отмечает руководитель одной из групп, Зихад Хасан (Zihad Hasan) из Университета Принстона, впервые можно говорить о наблюдении фермиона Вейля. Полученный кристалл был изучен с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением [angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES)], экспериментальной методики, позволяющей изучать электронные структуры непосредственно. Результаты исследования показали, что в кристалле электроны ведут себя так, как будто обладают хиральностью, но не обладают массой, что может быть прямым свидетельством в пользу существования фермионов Вейля.

Такие фермионы могут обеспечивать существование электронов без массы и с очень высокой подвижностью, для которых не проявляется обратное рассеяние. Обратное рассеяние от нормальных электронов обычно понижает эффективность электронных устройств, поэтому есть надежда, что электроны Вейля могут сыграть важную роль в создании новой, более скоростной электроники. Подвижность заряда в арсениде тантала выше, чем в графене, и, как говорит Хасан, если с помощью этих материалов будет создан новый тип электроники, его стоит назвать «вейльтроника».

Параллельно двум исследовательским группам третья заявила, что обнаружила фермион Вейля в фотонном трехмерном гироидном кристалле, эти исследователи предполагают, что неуловимый фермион может оказаться полезным и для создания нового поколения фотонных устройств [5].

Источники: [1] Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aaa9297; [2] 2015, arXiv: 1502.04684; [3] Phys. Rev. X, 2015, DOI: 10.1103/physrevx.5.011029; [4] Nat. Commun., 2015, DOI:10.1038/ncomms8373; [5] Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aaa9273

метки статьи: #природа химической связи, #суперструн теория, #физическая химия, #химия твердого тела, #электрохимия