В исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports, группа исследователей, связанных с государственным университетом Сан-Паулу (UNESP) в Бразилии, описывает важный теоретический вывод, который может способствовать развитию квантовых вычислений и спинтроники (спиновой электроники). Это новая технология, использующая спин (вращение) электрона или его угловой момент, а не заряд, для построения более быстрых и эффективных электронных устройств, передает сайт Phys.org.
Научная работа была поддержана Исследовательским фондом Сан-Паулу – FAPESP. Руководителем группы ученых был Антонио Карлос Серидонио, профессор физико-химического факультета UNESP в Ilha Solteira, штат Сан-Паулу. Его аспиранты Юрий Маркес, Виллиан Мизобата и Ренан Оливейра помогали ему в экспериментах.
Так, исследователи заметили, что молекулы с возможностью кодирования информации производятся в системах, называемых полуметаллами Вейля, когда нарушается обращенная во времени симметрия.
Эти системы можно считать трехмерными версиями графена и связаны они с очень специфическими видами объектов, называемыми фермионами Вейля. Это безмассовые, квазирелятивистские, хиральные частицы. Квазирелятивистские, потому что они движутся подобно фотонам (фундаментальным «частицам света») и ведут себя так, как если бы они были релятивистскими, сжимающими пространство и расширяющими время.
Термин «хиральный» применяется к объекту, который не может быть наложен на его зеркальное отображение. Сфера ахиральна, но левая и правая руки хиральны. В случае фермионов Вейля хиральность заставляет их вести себя как магнитные монополи, в отличие от всех магнитных объектов в тривиальном мире, которые ведут себя как диполи.
Фермионы Вейля были предложены в 1929 году немецким математиком, физиком и философом Германом Вейлем (1885-1955) в качестве возможного решения уравнения Дирака. Сформулированное британским физиком-теоретиком Полом Дираком (1902-1984), это уравнение объединяет принципы квантовой механики и специальной теории относительности для описания поведения электронов, кварков и других объектов.
Фермионы Вейля являются гипотетическими объектами и никогда не встречались в природе свободно, но исследования, проведенные в 2015 году, показали, что они могут служить основой для объяснения некоторых явлений.
Подобно майорановским фермионам, которые также решают уравнение Дирака, фермионы Вейля проявляют себя как квазичастицы в молекулярных системах конденсированных сред.
Эта область, в которой сходятся физика высоких энергий и физика конденсированных сред, мобилизовала значительные исследовательские усилия не только из-за возможностей, которые она предлагает для развития фундаментальной науки, но также потому, что когда-нибудь могут быть использованы особенности этих квазичастиц в квантовых вычислениях для кодирования информации.
Новое исследование, проведенное в UNESP Ilha Solteira, продвинулось в этом направлении. «Наше теоретическое исследование было сосредоточено на молекулах, состоящих из широко разделенных атомов. Эти молекулы не были бы жизнеспособными вне контекста Вейля, потому что расстояние между атомами не позволяет им образовывать ковалентные связи и, следовательно, обмениваться электронами. Мы продемонстрировали, что хиральность рассеяния электронов в полуметаллах Вейля приводит к образованию магнитных химических связей», – сказал Серидонио.
Примерами полуметаллов Вейля являются арсенид тантала (TaAs), арсенид ниобия (NbAs) и фосфид тантала (TaP).
«В этих материалах фермионы Вейля играют аналогичную роль электронов в графене. Однако графен представляет собой квази-2-D систему, тогда как эти материалы полностью трехмерные», – сказал Серидонио.
Теоретическое исследование показало, что фермионы Вейля в этих системах проявляются как расщепления в дираковских фермионах, категории, включающей все материальные частицы так называемой Стандартной модели, с возможным исключением нейтрино.
Эти расщепления происходят в точках, где зона проводимости (пространство, в котором циркулируют свободные электроны) касается валентной зоны (самый внешний слой электронов в атомах).
«Нарушение симметрии делает эту точку, узел Дирака, расщепленным на пару узлов Вейля с противоположными хиральностями. В нашем исследовании мы нарушили симметрию обращения времени», – сказал Серидонио.
Симметрия обращения времени по существу означает, что система остается той же самой, если течение времени полностью изменено. «Когда эта симметрия нарушается, получающаяся молекула имеет спин-поляризованные орбитали».
В обычных молекулярных системах раскручивающие электроны и раскручивающиеся электроны равномерно распределены в электронном облаке. Это не так в системах Вейля.
«В результате получается молекула, в которой электронное облако с ускорением и замедлением пространственно различается. Эта особенность может использоваться для кодирования информации, поскольку молекула может быть связана с двоичной системой, которая является битом или базовой единицей информации», – сказал Серидонио.
