Международная команда исследователей обнаружила, что некоторые классы кристаллов с асимметрией, такой как биологическая «управляемость», известные как хиральные кристаллы, могут содержать электроны, которые ведут себя неожиданным образом.
Авторы нового исследования утверждают, что квантовые свойства электронов в хиральных кристаллах редко изучались.
Хиральность, также известная как управляемость, является физическим свойством, общим для всех объектов, которые не могут быть наложены на их зеркальное отражение.
Хиральные кристаллы представляют большой интерес для физиков благодаря своим магнитным, оптическим, проводящим и особенно топологическим свойствам.
Топологические свойства материи стали одним из самых востребованных сокровищ современной физики, по словам ученых, как с фундаментальной точки зрения, так и для поиска потенциальных приложений в квантовых и нанотехнологиях следующего поколения.
Команда ученых предложила теорию, которая преодолела разрыв между физической хиральностью кристаллов и тем, как электроны ведут себя в этих кристаллах, как квантово механически, так и в соответствии с математическими законами топологии.
Исследователи были удивлены, обнаружив, что все немагнитные хиральные кристаллы обладают универсальным топологическим квантовым свойством: все их электронные структуры имеют точки касания, управляемые уравнением Вейля, квантовым уравнением движения. Физик Герман Вейль предсказал такое поведение частиц в Принстоне в 1929 году.
Теперь, используя групповую теорию кристаллов, ученые определили, что хиральные кристаллы способны принимать новые формы фермионов Вейля - электроны, которые в совокупности ведут себя так, как будто они безмассовые. Ученые назвали их «хиральными фермионами».
Команда применила эти идеи к хиральным кристаллам и обнаружила неожиданные результаты относительно их электронного, оптического и топологического поведения, получив название «топологические хиральные кристаллы».
Исследователи были удивлены, обнаружив, что эти топологические хиральные кристаллы могут проявлять уникальные явления, такие как большие дуги Ферми и электронные спины, которые в совокупности ведут себя как магнитные монополии.
Используя свою прогностическую теорию, авторы также выявили многочисленные высококачественные хиральные соединения с потенциалом для экспериментальных применений. Среди них силициды родия, известные как семейство RhSi, показали наибольшие перспективы, продемонстрировав максимально длинные топологические поверхностные дуги Ферми — огромное энергетическое окно для изучения электронного поведения.
Используя свою революционную технику для обнаружения фермионов Вейля, ученые начали исследование электронов в хиральных кристаллах семейства RhSi несколько лет назад.
Ученые изучали расположение атомов на поверхности материала с помощью нескольких методов, таких как проверка правильного вида симметрии с помощью сканирующего туннельного микроскопа в лаборатории топологической квантовой материи и расширенной спектроскопии.
Затем хиральные кристаллы были доставлены в Национальную лабораторию Лоуренса Беркли, где члены исследовательской группы использовали рентгеновские лучи высокой энергии, чтобы сбить электроны с поверхности, поскольку анализ рисунков, сделанных испускаемыми электронами, может выявить их массы и скорости.
Исследователи обнаружили, что электроны, испускаемые из глубин образцов, имели фактически нулевую массу, а их распределение скорости и спина выявило как их хиральное поведение, так и их коллективный монопольный характер.
По мнению ученых, это верхушка айсберга. Хиральные кристаллы, похоже, являются идеальным источником для новых электронных фаз материи и более волнующе, для безмассовых электронов, которые физики искали в течение многих лет.
Исследователи были рады обнаружить это поведение электронов на квантовом уровне. Это один из тех примеров, когда теоретические предсказания были экспериментально реализованы. Такое случается не всегда.
