Топологические полуметаллы

Топологические полуметаллы представляют собой особый класс квантовых материалов, у которых запрещённая зона либо отсутствует полностью, либо почти замкнута вблизи точки Ферми. Основной особенностью является наличие топологически защищённых пересечений валентной и проводящей зон — точек Дирака и точек Вейля. Эти пересечения ведут к появлению низкоэнергетических квазичастиц, которые ведут себя как релятивистские фермионы с линейной дисперсией.

Ключевые моменты электронной структуры:

• Точки Дирака: четырехкратные вырождения энергетических уровней, сохраняющиеся при наличии симметрий инверсии и времени.
• Точки Вейля: двухкратные вырождения, разрушаемые при нарушении хотя бы одной симметрии. Каждая точка Вейля обладает топологическим зарядом — хиральностью, которая определяет направление движения электронов вблизи точки Вейля.
• Линейная дисперсия вблизи точек Дирака и Вейля обеспечивает анизотропное движение квазичастиц и приводит к необычным транспортным и магнитным свойствам.

Симметрии и топологическая защита

Топологические полуметаллы характеризуются наличием защитных симметрий, которые не позволяют расщеплению точек пересечения в отсутствие внешних возмущений:

• Симметрия инверсии (P): сохраняет точки Дирака при сочетании с симметрией времени.
• Симметрия времени (T): важна для сохранения спиновой вырождения электронов.
• Кристаллографические симметрии: ротaционные и отражательные симметрии часто определяют местоположение точек Вейля в зоне Бриллюэна.

Топологическая стабильность этих точек обеспечивает устойчивость квантовых эффектов даже при присутствии дефектов или малых возмущений.

Фазовые свойства и поверхности Ферми

Одной из характерных особенностей топологических полуметаллов является фазовая структура поверхности Ферми:

• Ферми-дужки: уникальные непересекающиеся поверхности Ферми, соединяющие проекции точек Вейля на поверхности образца.
• Анизотропные конусы Дирака и Вейля: линейная дисперсия проявляется в виде конических структур, где скорость Ферми может сильно зависеть от направления в k-пространстве.
• Эти особенности ведут к аномальному поведению электронов в магнитных полях, включая необычные циклотронные движения и эффекты Холла.

Магнитные и транспортные эффекты

Топологические полуметаллы демонстрируют ряд уникальных явлений, связанных с их топологией и хиральностью точек Вейля:

• Аномальный Холл-эффект: возникает из-за несбалансированного распределения точек Вейля с разной хиральностью.
• Эффект Шубникова–де Хааза: квантовая осцилляция магнитной восприимчивости, модифицированная линейной дисперсией.
• Хиральный магнитный эффект: индуцированный ток вдоль направления магнитного поля, обусловленный топологическим зарядом точек Вейля.

Эти явления открывают возможности для создания сенсоров, устройств с высокой подвижностью носителей заряда и термоэлектрических систем нового типа.

Оптические и спектроскопические проявления

Топологические полуметаллы обладают характерными оптическими свойствами:

• Линейная оптическая поглощательная способность вблизи точек Дирака и Вейля, что отличает их от обычных металлов с квадратичной дисперсией.
• Циркулярная дихроизмия в спектрах, связанная с хиральностью точек Вейля, используется для идентификации топологической природы материала.
• Плазмонные резонансы с высокой подвижностью носителей, которые проявляются в ТГц и ближнем ИК диапазонах.

Влияние внешних факторов

Электронные свойства топологических полуметаллов чувствительны к внешним воздействиям, что позволяет управлять их характеристиками:

• Напряжение и деформация кристалла могут смещать точки Дирака или Вейля, изменяя локальную дисперсию.
• Магнитное поле разрывает симметрию времени, что может превращать Дираковский полуметалл в Вейловский и создавать аномальные транспортные явления.
• Химическая доработка и легирование позволяют регулировать положение Ферми и усиливать топологические эффекты вблизи поверхности.

Примеры материалов

Среди известных топологических полуметаллов выделяются:

• Na₃Bi и Cd₃As₂ — Дираковские полуметаллы с линейной дисперсией и высокими скоростями Ферми.
• TaAs, NbAs, TaP — Вейловские полуметаллы, демонстрирующие ферми-дужки на поверхности и аномальный Холл-эффект.
• ZrTe₅ и HfTe₅ — материалы, демонстрирующие переход между топологическим изолятором и полуметаллом под внешним давлением.

Эти системы служат модельными объектами для исследования фундаментальной физики, включая взаимодействия квазичастиц и топологические фазовые переходы.

Перспективы применения

Топологические полуметаллы активно рассматриваются для разработки:

• Электронных устройств с высокой подвижностью носителей;
• Топологических транзисторов и спинтронных систем;
• Квантовых сенсоров магнитного поля;
• Терагерцовой электроники благодаря линейной оптической дисперсии и высокой проводимости.

Особый интерес представляет возможность интеграции топологических полуметаллов в гибридные структуры с обычными сверхпроводниками, создавая платформы для изучения Майорановских квазичастиц и топологических квантовых вычислений.