Pesquisadores do MIPT examinaram o comportamento das partículas de Weyl presas na superfície dos semimetais de Weyl. Seu estudo foi publicado na prestigiosa seção de Comunicações Rápidas de Revisão Física B .

A partícula Weyl - ou o férmion Weyl, para usar um termo mais preciso - foi previsto no início do século 20 por Hermann Weyl, um físico alemão. Apesar de sua previsão inicial e enormes esforços direcionados à busca pela partícula de Weyl ilusória, só foi descoberto experimentalmente em 2015. Ao contrário das expectativas, o Weyl não foi observado em um colisor gigante, mas em pequenos cristais, que veio a ser conhecido como semimetais de Weyl. Desde então, esses materiais têm atraído muita atenção, tornando esta área de pesquisa uma das mais quentes da física moderna.

Os semimetais de Weyl podem ser considerados um equivalente 3D do grafeno, o cristal 2-D com propriedades únicas descobertas pelos graduados do MIPT Andre Geim e Konstantin Novoselov, que recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2010. Elétrons no grafeno e semimetais de Weyl se comportam como partículas sem massa semelhantes aos fótons. Contudo, ao contrário dos fótons, essas partículas têm carga elétrica, tornando-os promissores para aplicações em eletrônica. Acontece que as propriedades bizarras dos elétrons nesses tipos de materiais podem ser descritas em termos da teoria do campo topológico. O Prêmio Nobel de Física de 2016 foi concedido a cientistas que introduziram conceitos topológicos na física do estado condensado.

Em um estudo teórico supervisionado pelo Prof. Vladimir Volkov do MIPT, Zhanna Devizorova, um Ph.D. estudante no MIPT, olhou para os estados de superfície dos férmions de Weyl, ou seja, como os elétrons se comportam perto da superfície de um cristal semimetal de Weyl. Os estados especiais dos elétrons próximos à superfície de um cristal, conhecidos como estados de superfície eletrônicos, foram previstas na década de 1930 pelos futuros vencedores do Prêmio Nobel Igor Tamm (URSS) e William Shockley (EUA), que propôs e estudou os primeiros modelos teóricos desses estados. Contudo, foi só recentemente que os estados de superfície ganharam a atenção dos pesquisadores. O significado prático deste campo de pesquisa é evidenciado pelo fato de que a microeletrônica moderna que usa silício é universalmente baseada em canais condutores próximos à superfície. Contudo, o silício em si não é um material topológico.

O comportamento de qualquer partícula sob um campo externo é determinado pela lei de dispersão que relaciona a energia da partícula ao seu momento. De acordo com a lei de dispersão, o espectro de energia dos elétrons em um cristal define propriedades eletrônicas como condutividade. O espectro de energia em massa de elétrons em um semimetal de Weyl é descrito por um conjunto que consiste em um número par de cones de Weyl, ou vales, centralizado em pontos especiais no espaço de impulso.

A superfície de tal cristal tem propriedades notáveis. Os semimetais de Weyl são diferenciados pelo espectro de energia de partículas que povoam seus estados de superfície. Nestes espectros exóticos, as curvas que representam estados com energia igual não são fechadas e aparecem como arcos no espaço de momento bidimensional. Esses chamados arcos de Fermi conectam pontos do espectro de elétrons que pertencem a diferentes cones de Weyl. Ao contrário dos férmions de Weyl, elétrons comuns são caracterizados por curvas de Fermi fechadas na forma de um círculo. Até agora, todas as descrições teóricas dos arcos de Fermi se basearam em cálculos complicados e obscuros por computador baseados nos primeiros princípios.

Os cientistas baseados no MIPT tiraram vantagem do fato de que os férmions de Weyl localizados longe da superfície do cristal obedecem às equações diferenciais de Weyl para derivar as condições de contorno que explicam com sucesso as interações intervalley na superfície semimetal. Eles resolveram o sistema das equações de Weyl para dois vales "à mão, "levando em consideração as condições de contorno derivadas, assim, encontrando analiticamente a forma dos arcos de Fermi. Com efeito, eles ofereceram uma descrição quantitativa e qualitativa de dados experimentais, e provou que a formação do arco Fermi é impulsionada principalmente pela forte interação intervalley sob o espalhamento do férmion de Weyl na superfície do cristal.

É concebível que os semimetais de Weyl possam permitir a eletrônica ultrarrápida. Os pesquisadores teóricos estão atualmente procurando os princípios que estabelecem a base para dispositivos eletrônicos de última geração baseados em semimetais de Weyl. Esta abordagem analítica é uma maneira relativamente fácil de explicar a influência dos campos elétricos e magnéticos nos férmions de Weyl. O potencial heurístico dessa abordagem pode facilitar muito o progresso em direção a uma eletrônica mais rápida e eficiente.