Un nuevo tipo de semimetales de Weyl con violación de la simetría Lorentz

Por Francisco R. Villatoro, el 19 agosto, 2015. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science

Dibujo20150819 possible types of weyl semimetals

Los semimetales de Dirac y de Weyl presentan cuasipartículas que siguen la ecuación de Dirac y cumplen la invariancia Lorentz. Un nuevo artículo propone que hay dos tipos de semimetales de Weyl, violando el segundo tipo la invariancia Lorentz. Un ejemplo de estos nuevos semimetales topológicos sería el WTe2.

Nos lo proponen Alexey A. Soluyanov et al., “A New Type of Weyl Semimetals,” arXiv:1507.01603 [cond-mat.mes-hall]. Por cierto, recomiendo el artículo de divulgación del autor principal de este artículo B. Andrei Bernevig,”It has been a Weyl coming,” Nature Physics, AOP 17 Aug 2015, doi: 10.1038/nphys3454arXiv:1508.04170 [cond-mat.str-el].

PS [25 Nov 2015]: El artículo se ha publicado en Nature: Alexey A. Soluyanov et al., “Type-II Weyl semimetals,” Nature 527: 495–498, 26 Nov 2015, doi: 10.1038/nature15768.

Dibujo20150819 weyl semimetals in momentum space - nature physics

Type-II Weyl semimetals

Alexey A. Soluyanov, Dominik Gresch, Zhijun Wang, QuanSheng Wu, Matthias Troyer, Xi Dai & B. Andrei Bernevig
AffiliationsContributionsCorresponding author
Nature 527, 495–498 (26 November 2015) doi:10.1038/nature15768
Received 01 June 2015 Accepted 22 September 2015 Published online 25 November 2015

Los semimetales de Weyl se diferencian de los semimetales de Dirac en que violan la simetría de paridad (CP) o la simetría de inversión temporal (T), como hacen los neutrinos. En los puntos de Weyl se cruzan dos bandas electrónicas, cuando en los puntos de Dirac lo hacen cuatro bandas. Las cuasipartículas (ondas colectivas de electrones) se portan como fermiones de Weyl sin masa; en el espacio de momentos (ilustrado en esta figura) estos fermiones de Weyl tienen asociadas líneas de campo parecidas a las líneas de campo magnético (el llamado potencial de Berry), luego se comportan como monopolos para dicho campo. Estos monopolos (fermiones de Weyl) siempre se observan a pares de carga (magnética de Berry) opuesta, conectados entre sí por los llamados arcos de Fermi. Estos arcos son observables mediante experimentos de fotoemisión y han permitido el descubrimiento experimental de semimetales de Weyl (uno de los grandes descubrimientos de este año, que quizás acabe siendo el Science Breakthrough 2015). Materiales como TaAs, TaP, NbP y NbAs son semimetales de Weyl.

 

Dibujo20150819 wte2 band structure - type II weyl semimetal

Esta figura muestra la estructura de bandas del WTe2. Su estructura no corresponde exactamente con la esperada para un semimetal de Weyl, pero presenta análogos a los puntos de Weyl. Por ello, Bernevig y sus colegas proponen la existencia de tipos de puntos de Weyl. Los de tipo I son los convencionales (parte izquierda de la figura que abre esta entrada) y los de tipo II son los que se observan en el WTe2 (parte derecha de la figura que abre esta entrada). Estos últimos se encuentran en puntos donde se tocan las cuasipartículas de electrones y de huecos (ausencia de electrones); en esta figura, parte derecha, son los dos puntos a energías de 0,052 eV y 0,058 eV por encima del nivel de Fermi. Gracias a esta propiedad el material WTe2 presenta la magnetorresistencia sin saturación más grande observada hasta la fecha.

Dibujo20150819 bz cross-sectoin weyl semimetal type II

El análisis teórico indica que los fermiones de Weyl de tipo II están conectados por tubos de flujo de Berry (en lugar de por arcos de Fermi como los fermiones de Weyl de tipo I). Esta figura, izquierda, muestra un esquema donde las líneas rojas discontinuas corresponden al flujo de Berry entre fermiones de Weyl de tipo I de quiralidad (carga topológica de Berry) opuesta; en rojo los de C = +1 y en azul los de C = −1 . En la figura de la derecha se muestra la estructura de bandas calculada mediante métodos numéricos en el plano definido por la curva C de la figura de la izquierda. La línea punteada indica la región en la que se debe observar el efecto de Hall cuántico de espín.

El análisis experimental que confirme que el WTe2 es un semimetal de Weyl de tipo II, como sugiere el análisis teórico de Bernevig y sus colegas aún debe ser realizado. Pero al ritmo al que se trabaja en este campo podemos imaginar que no tardará mucho tiempo en ser realizado. Toda una sorpresa de las muchas que nos esperan gracias a los fermiones de Weyl.



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