В мире квантовых материалов произошло важное открытие: ученые создали первый идеальный полуметалл Вейля. Это достижение стало результатом десятилетней работы и позволило решить давнюю проблему в исследовании квантовых материалов, открывая новые перспективы для изучения уникальных свойств фермионов Вейля.
Фермионы Вейля представляют собой коллективные квантовые возбуждения электронов в кристаллах. Теоретически предсказанные экзотические электромагнитные свойства этих частиц вызвали огромный интерес в научном сообществе по всему миру. Однако, в предыдущих исследованиях, фермионы Вейля часто оставались скрытыми за «тривиальными» электронами, что затрудняло их изучение и практическое применение.
В центре этого прорыва – работа международной исследовательской группы, возглавляемой Лабораторией сильно коррелированного квантового транспорта Центра исследований перспективных материалов RIKEN (CEMS). В команду также вошли ученые из Междисциплинарной программы теоретических и математических наук RIKEN (iTHEMS), Центра квантовой электроники фаз (QPEC) Токийского университета, Института исследования материалов Университета Тохоку и Наньянского технологического университета в Сингапуре. Их совместная работа длилась четыре года.
Ключом к успеху стал пересмотр стратегии, теоретически предложенной еще в 2011 году. Ученые решили создать полуметалл Вейля на основе топологического полупроводника. Этот подход, ранее оставленный без внимания и практически забытый, оказался решающим.
В качестве отправной точки был выбран топологический полупроводник – теллурид висмута (Bi2Te3). Путем замещения части висмута хромом, исследователи смогли создать новый материал – (Cr,Bi)2Te3. Именно этот материал и стал идеальным полуметаллом Вейля.
Интерес к (Cr,Bi)2Te3 был вызван обнаруженным в нем аномально большим эффектом Холла (AHE). Это явление указывало на наличие «новой физики», выходящей за рамки свойств обычных топологических полупроводников. Уникально простая электронная структура (Cr,Bi)2Te3 позволила дать количественное объяснение экспериментальным данным с помощью точной теории, проследив связь AHE с возникающими фермионами Вейля.
Рёта Ватанабэ, аспирант и соавтор исследования, отметил, что большое значение аномального эффекта Холла в (Cr,Bi)2Te3 изначально заинтриговало команду, намекая на новую физику за пределами топологических полупроводников. Чинг-Кай Чи из iTHEMS, также соавтор работы, подчеркнул, что в отличие от предыдущих материалов Вейля, простая электронная структура (Cr,Bi)2Te3 дала возможность количественно интерпретировать эксперименты, связав эффект Холла с фермионами Вейля.
Илья Белопольский, ведущий автор исследования из CEMS, выразил сожаление, что открытие не было сделано раньше. По его словам, необходимые теоретические и экспериментальные знания уже существовали, но недостаток коммуникации между различными научными группами замедлил прогресс. Белопольский также отметил вклад RIKEN, подчеркнув роль «блестящих исследователей, щедрого финансирования и динамичной интеллектуальной атмосферы CEMS" в успехе проекта.
Юки Сато, научный сотрудник и соавтор, указал на перспективы применения нового материала в терагерцовых технологиях. В отличие от полупроводников, полуметаллы не имеют энергетической щели, что позволяет им поглощать низкочастотное излучение, вплоть до терагерцового диапазона. Команда планирует использовать идеальный полуметалл Вейля для создания и детектирования терагерцового излучения.
Ликсуан Тай, научный сотрудник, выразил энтузиазм по поводу перспектив дальнейших исследований. Наличие в распоряжении настоящего полуметалла Вейля после стольких лет поисков, по его мнению, откроет путь к новым прорывным открытиям.
Потенциальные области применения идеального полуметалла Вейля весьма разнообразны. Они включают создание высокоэффективных терагерцовых устройств, высокочувствительных датчиков, энергоэффективной электроники и инновационных оптоэлектронных приборов.
Результаты этого важного исследования были опубликованы в журнале Nature в 2025 году под названием "Engineering the first semimetallic Weyl quantum crystal" (DOI: 10.1038/s41586-024-08330-y). Первым автором статьи является Илья Белопольский и другие члены исследовательской группы. Новость об этом открытии была обнародована 24 января 2025 года.
Изображение носит иллюстративный характер
Фермионы Вейля представляют собой коллективные квантовые возбуждения электронов в кристаллах. Теоретически предсказанные экзотические электромагнитные свойства этих частиц вызвали огромный интерес в научном сообществе по всему миру. Однако, в предыдущих исследованиях, фермионы Вейля часто оставались скрытыми за «тривиальными» электронами, что затрудняло их изучение и практическое применение.
В центре этого прорыва – работа международной исследовательской группы, возглавляемой Лабораторией сильно коррелированного квантового транспорта Центра исследований перспективных материалов RIKEN (CEMS). В команду также вошли ученые из Междисциплинарной программы теоретических и математических наук RIKEN (iTHEMS), Центра квантовой электроники фаз (QPEC) Токийского университета, Института исследования материалов Университета Тохоку и Наньянского технологического университета в Сингапуре. Их совместная работа длилась четыре года.
Ключом к успеху стал пересмотр стратегии, теоретически предложенной еще в 2011 году. Ученые решили создать полуметалл Вейля на основе топологического полупроводника. Этот подход, ранее оставленный без внимания и практически забытый, оказался решающим.
В качестве отправной точки был выбран топологический полупроводник – теллурид висмута (Bi2Te3). Путем замещения части висмута хромом, исследователи смогли создать новый материал – (Cr,Bi)2Te3. Именно этот материал и стал идеальным полуметаллом Вейля.
Интерес к (Cr,Bi)2Te3 был вызван обнаруженным в нем аномально большим эффектом Холла (AHE). Это явление указывало на наличие «новой физики», выходящей за рамки свойств обычных топологических полупроводников. Уникально простая электронная структура (Cr,Bi)2Te3 позволила дать количественное объяснение экспериментальным данным с помощью точной теории, проследив связь AHE с возникающими фермионами Вейля.
Рёта Ватанабэ, аспирант и соавтор исследования, отметил, что большое значение аномального эффекта Холла в (Cr,Bi)2Te3 изначально заинтриговало команду, намекая на новую физику за пределами топологических полупроводников. Чинг-Кай Чи из iTHEMS, также соавтор работы, подчеркнул, что в отличие от предыдущих материалов Вейля, простая электронная структура (Cr,Bi)2Te3 дала возможность количественно интерпретировать эксперименты, связав эффект Холла с фермионами Вейля.
Илья Белопольский, ведущий автор исследования из CEMS, выразил сожаление, что открытие не было сделано раньше. По его словам, необходимые теоретические и экспериментальные знания уже существовали, но недостаток коммуникации между различными научными группами замедлил прогресс. Белопольский также отметил вклад RIKEN, подчеркнув роль «блестящих исследователей, щедрого финансирования и динамичной интеллектуальной атмосферы CEMS" в успехе проекта.
Юки Сато, научный сотрудник и соавтор, указал на перспективы применения нового материала в терагерцовых технологиях. В отличие от полупроводников, полуметаллы не имеют энергетической щели, что позволяет им поглощать низкочастотное излучение, вплоть до терагерцового диапазона. Команда планирует использовать идеальный полуметалл Вейля для создания и детектирования терагерцового излучения.
Ликсуан Тай, научный сотрудник, выразил энтузиазм по поводу перспектив дальнейших исследований. Наличие в распоряжении настоящего полуметалла Вейля после стольких лет поисков, по его мнению, откроет путь к новым прорывным открытиям.
Потенциальные области применения идеального полуметалла Вейля весьма разнообразны. Они включают создание высокоэффективных терагерцовых устройств, высокочувствительных датчиков, энергоэффективной электроники и инновационных оптоэлектронных приборов.
Результаты этого важного исследования были опубликованы в журнале Nature в 2025 году под названием "Engineering the first semimetallic Weyl quantum crystal" (DOI: 10.1038/s41586-024-08330-y). Первым автором статьи является Илья Белопольский и другие члены исследовательской группы. Новость об этом открытии была обнародована 24 января 2025 года.
