Материалы портала «Научная Россия»

Псевдорелятивистские фермионы Кейна в твёрдых растворах кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe)

Псевдорелятивистские фермионы Кейна в твёрдых растворах кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe)

Известно, что законы микромира описываются квантовой механикой, а поведение релятивистских частиц, энергия которых значительно превышает энергию покоя – теорией относительности. Однако в некоторых полупроводниках существуют такие состояния, в которых носители заряда ведут себя подобно релятивистским частицам. Электроны в таких состояниях подчиняются уравнениям квантовой электродинамики – науки, объединившей квантовую механику и теорию относительности, и двигаются подобно нейтрино – релятивистским элементарным частицам с практически нулевой массой.

Наиболее известный пример таких состояний – это безмассовые фермионы Дирака в графене – двумерном слое углерода толщиной в один атом. Примечательно то, что электроны в графене получают релятивистские свойства не за счёт огромных энергий и скоростей, а благодаря особой симметрии кристаллической решётки, поэтому они называются «псевдорелятивистскими». Для безмассовых частиц в уравнении Дирака существует сохраняющаяся величина, имеющая смысл проекции спина на направление движения, — величина, называемая спиральностью в квантовой электродинамике. В графене существует аналог, называемый киральностью (или хиральностью) и обозначающий проекцию псевдоспина S = 1/2 на направление движения.

Название изображения

Недавно, в лабораториях Шарля Кулона (Монпелье, Франция) и Сильных магнитных полей (Гренобль, Франция) при сотрудничестве с ИФМ РАН (Нижний Новгород) и ИФП СО РАН (Новосибирск) в твёрдых растворах кадмий-ртуть-теллур, широко используемых в качестве фотоматриц ночного видения, были обнаружены «псевдорелятивистские» состояния нового типа – безмассовые фермионы Кейна [1,2]. Своё название они получили в честь американского учёного Эвана О. Кейна, стоявшего у истоков k·p метода расчёта зонной структуры узкозонных полупроводников, широко используемого в наше время.

Безмассовые фермионы Кейна имеют не только линейные ветви закона дисперсии, характерные для безмассовых «псевдорелятивистских» электронов, но и дополнительную ветвь, соответствующую носителям заряда с очень большой массой. Несмотря на то, что подобная зависимость энергии от квазиимпульса характерна для безмассовых киральных частиц с псевдоспином S = 1, кейновские фермионы обладают особой симметрией и пока не имеют аналогов в физике элементарных частиц.

Массу покоя кейновских фермионов в растворах кадмий-ртуть-теллур можно плавно изменять, варьируя состав твёрдого раствора, температуру или давление. Возможные варианты зонной структуры при различных значениях массы покоя представлены на рисунках: (а) обычный полупроводник с положительной массой покоя, (б) состояние с безмассовыми фермионами Кейна, (в) случай «отрицательной» массы покоя, соответствующей инверсному расположению зон. В ходе исследований, выполненных в лаборатории Шарля Кулона в сотрудничестве с ИФМ РАН, было экспериментально подтверждено «псевдорелятивистское» поведение безмассовых кейновских фермионов, а также определена фундаментальная «скорость света» для таких частиц.

Оказалось, что «скорость света» для кейновских фермионов не зависит от состава твёрдого раствора и температуры и примерно равна «скорости» для безмассовых фермионов Дирака в графене, что в 300 раз меньше скорости света в вакууме [1].

А.М. Кадыков, мл. научный сотрудник

отдела физики полупроводников ИФМ РАН

 

[1] F. Teppe et al., Nature Communications 7, 12576 (2016).

[2] M. Orlita et al., Nature Physics 10, 233 (2014).

"псевдорелятивистские" электроны институт физики микроструктур ран ифм ран кадыков александр михайлович псевдорелятивистские фермионы кейна фермионы дирака фермионы кейна физика полупроводников физика элементарных частиц

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий