El AlPt es un semimetal topológico quiral con cuasipartículas de espín 3/2 y 5/2

Por Francisco R. Villatoro, el 16 junio, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 2

El grafeno es un semimetal topológico no quiral porque propaga cuasipartículas de espín 1/2 sin masa de tipo fermión de Dirac; su estructura de bandas electrónicas presenta dos puntos en el nivel de Fermi donde se cruzan en forma de cono las bandas de conducción y valencia. En un semimetal topológico quiral este cruce solo ocurre en un único punto en el nivel de Fermi, por lo que se propagan cuasipartículas de espín 1/2 sin masa de tipo fermión de Weyl. Hay semimetales topológicos quirales en los que se cruzan más de dos bandas; si lo hacen cuatro (o seis) bandas se propagarán cuasipartículas de espín 3/2 (o 5/2) de tipo fermión de Rarita–Schwinger. Se ha publicado en Nature Physics que el AlPt las propaga según las medidas con ARPES y las simulaciones teóricas DFT (VASP). Estos puntos cuádruples y séxtuples están conectados por múltiples arcos de Fermi.

Las teorías de supergravedad predicen la existencia de los gravitinos, partículas sin masa de espín 3/2 descritas por la ecuación de Rarita–Schwinger, pero prohíben las partículas de espín 5/2 que serían inestables. Tras la rotura de la supersimetría, el gravitino adquiere masa, que puede ser muy pequeña, menor de 1 eV/c², o muy grande, mayor de 1 TeV/c²; todas las búsquedas del gravitino han sido infructuosas. Como supongo que sabrás, hay bariones de espín 3/2, 5/2 y hasta 15/2 [PDG PDF]. La observación de fermiones de Weyl de alto espín, resultado  un cruzamiento de múltiples bandas, resulta en materiales topológicos con alto número de Chern (C=+4 para espín 3/2 y C=−4 para espín 5/2). Estos materiales tienen aplicaciones prometedoras en electrónica y computación, sin embargo, aún falta mucho para que se descubra su nicho tecnológico.

El artículo es Niels B. M. Schröter, …, Maia G. Vergniory, …, Yulin Chen, “Chiral topological semimetal with multifold band crossings and long Fermi arcs,” Nature Physics (06 May 2019), doi: 10.1038/s41567-019-0511-yarXiv:1812.03310 [cond-mat.mes-hall] (08 Dec 2018); más información divulgativa en César Tomé López, “A higher spin generalization of Weyl fermions without equivalence in elementary particle physics,” Mapping Ignorance, 09 May 2019. He de confesar que soy un gran admirador del trabajo en materiales topológicos de Maia G. Vergniory (DIPC, Donostia, e IKERBASQUE, Bilbao); muchas veces pienso que debería hacerme eco de todos sus artículos, disfruto mucho con sus artículos y, de hecho, tengo varios en borradores. Por cierto, recomiendo su artículo Barry Bradlyn, …, M. G. Vergniory, …, B. Andrei Bernevig, “Beyond Dirac and Weyl fermions: Unconventional quasiparticles in conventional crystals,” Science 353: aaf5037 (05 Aug 2016), doi: 10.1126/science.aaf5037arXiv:1603.03093 [cond-mat.mes-hall].

Por cierto, recientemente se han publicado varios artículos que presentan semimetales topológicos quirales con número de Chern |C|=2; materiales de la familia XSi y, en concreto, el CoSi. Más información en Zhicheng Rao, Hang Li, …, Hong Ding, “Observation of unconventional chiral fermions with long Fermi arcs in CoSi,” Nature 567: 496-499 (20 Mar 2019), doi: 10.1038/s41586-019-1031-8; Daniel S. Sanchez, Ilya Belopolski, …, M. Zahid Hasan, “Topological chiral crystals with helicoid-arc quantum states,” Nature 567: 500-505 (20 Mar 2019), doi: 10.1038/s41586-019-1037-2arXiv:1812.04466 [cond-mat.mes-hall] (11 Dec 2018); Daichi Takane, Zhiwei Wang, …, Takafumi Sato, “Observation of Chiral Fermions with a Large Topological Charge and Associated Fermi-Arc Surface States in CoSi,” Physical Review Letters 122: 076402 (20 Feb 2019), doi: 10.1103/PhysRevLett.122.076402arXiv:1809.01312 [cond-mat.mes-hall] (05 Sep 2018).

[PS 18 jun 2019] En la primera versión de esta entrada nombré al AlPt como «platinuro de aluminio»; sin embargo, parece ser que es mejor llamarlo aluminuro de platino; aunque lo mejor para curarse en salud es llamarlo AlPt, a secas, pues Al y Pt tienen el mismo rol en esta aleación. Por ello he cambiado el título y el contenido. Me lo hizo notar Germán Fernández, @altatoron, y nos lo aclaró César Tomé, @EDocet: “Al poseer una estequiometría definida y una estructura cristalina estamos ante un tipo de aleación, un compuesto intermetálico. Al ser binario, según el Red Book [PDF], se escribe alfabéticamente, AlPt, y se nombra aluminuro de platino”. Más aún, César me aclaró [tuit] que “en puridad es una mezcla estequiométrica por lo que es mejor referirse a ella como AlPt, ya que la terminación -uro parecería otorgar al aluminio un papel que en realidad no tiene. Por tanto, en este caso, platinuro de aluminio no es convencional pero es igual de (in)válido”. [/PS]

La figura que abre esta entrada muestra la estructura química de un cristal de AlPt, en concreto, la cúbica quiral B20, con las posiciones de los átomos displazados en la dirección (111) con una constante de red de a=4.863 Å. Como no es un material formado por capas, su superficie se puede cortar a lo largo de diferentes planos de Miller, como (001), (110) y (111). La figura justo encima muestra las medidas mediante ARPES (Angle-Resolved PhotoElectron Spectroscopy) de la superficie de Fermi, tanto para la superficie (110), figura a la izquierda, como para (111), figura en el centro; la figura a la derecha es la representación tridimensional para fotones de 554 eV alrededor del punto R. Recuerda que para representar en dos dimensiones la estructura de bandas se corta la figura tridimensional con un plano que pasa por ciertos puntos relevantes, para una red cúbica se seleccionan los puntos R, X, M y Γ.

Los cristales de AlPt a una temperatura de ~20 K se han sido medido con ARPES usando dos sincrotrones. Para los fotones de rayos X (con energía entre 350 eV y 1000 eV) se ha usado SX-ARPES en el sincrotrón suizo SLS (Swiss Light Source). Y para fotones de baja energía (entre 30 eV y 160 eV) se ha usado VUV-ARPES en el sincrotrón británico DLS (Diamond Light Source). Los resultados experimentales se han comparado con las simulaciones teóricas tipo DFT usando el software VASP (Vienna Ab Initio Simulation Package). Esta figura muestra la estructura de bandas centrada en los puntos R y Γ en los que se propagan cuasipartículas de espín 5/2 y 3/2, respectivamente. Como se observa hay un buen acuerdo cualitativo entre las medidas experimentales y las predicciones teóricas.

Por desgracia, no ha sido posible un buen acuerdo cuantitativo entre las medidas experimentales con ARPES y las simulaciones teóricas. Por un lado, por la limitada resolución energética de la técnica ARPES. Y, por otro lado, porque se han despreciado ciertos efectos en la simulaciones DFT, como la fotoemisión de los electrones.

Uno de los resultados más llamativos de esta investigación es la observación de grandes arcos de Fermi. Más largos de lo habitual, recorren toda la diagonal de la superficie de la zona de Brillouin. Estos arcos de Fermi son una prueba de que el AlPt tiene un número de Chern de |C|=4. Esta figura compara las predicciones teóricas en la zona izquierda con las medidas con ARPES en la zona derecha.

En resumen, un gran trabajo en materiales topológicos quirales que ilustra el buen momento que está pasando esta área de investigación. Las aplicaciones de estos materiales quizás tarden en llegar, pues se necesita mucha investigación básica sobre sus propiedades. Pero sin lugar a dudas acabarán llegando gracias a la robustez topológica de sus propiedades. Más aún, cuando fabricarlos parece sencillo.



2 Comentarios

  1. Se debe escribir PtAl el orden segun IUPAC és el mas electonegarivo el último que en este caso és el aluminio y el nombre és aluminuro de platino. Pero solo en el caso de que quieras seguir las directrices IUPAC

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