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2018
03-30

异国情调的金属显示行为,可能导致新的红外探测器


中红外波长的光是肉眼看不见,但可以用于包括夜视,热感应和环境监测在内的许多技术。现在,麻省理工学院和其他地方的物理学家发现的非常规金属中的新现象可以为这些难以捉摸的波长提供一种制造高灵敏度探测器的新方法。这种现象与高能物理学家所预言的但从未观测到的粒子密切相关。

物理学家把自然界的所有基本粒子分成两类,费米子和玻色子。费米子有三种类型:Dirac,Majorana和Weyl。狄拉克费米子包括铜或金等常规金属中的电子。另外两个是非常规的粒子,可能会产生奇怪的,基本上是新的物理学,这可能会被用来构建更有效的电路和其他设备。德国物理学家赫尔曼·韦尔(Hermann Weyl)近一个世纪以前首次推断了魏尔费米子(Weyl fermion)。虽然它的存在被认为是形成广泛接受的亚原子物理学标准模型的方程的一部分,但是Weyl费米子在实验上从未被实际观察到。这个理论预言,他们应该以光速运动,同时也围绕运动方向旋转。它们有两种类型,取决于它们围绕运动方向的旋转是顺时针还是逆时针。这种性质被称为Weyl费米子的手性或手性。

尽管Weyl费米子从来没有被直接观察到,但是研究人员最近观察到一种现象,它模仿了他们的理论性质的基本方面,在一类称为Weyl semimetals的非常规金属中。剩下的一个挑战是通过实验测量这些Weyl费米子的手性,这逃避了大多数标准实验技术的检测。

在一篇发表在“自然物理学杂志”期刊上的论文中,,一个麻省理工学院的团队使用圆偏振光测量了Weyl费米子的手性。这项工作是由麻省理工博士后琼斯和徐苏阳完成的;物理学教授Nuh Gedik,Pablo Jarillo-Herrero和Patrick Lee;麻省理工学院和美国,中国和新加坡其他八所大学的研究人员。研究人员发现,一种叫做砷化钽(TaAs)的金属“表现出一种有趣的称为圆形光电效应的光电性质,”物理系副教授格迪克说。传统上,导电需要在金属(例如铜)的两端施加外部电压。相比之下,研究人员在这项工作中发现,通过在中红外波长范围内照射圆偏振光,TaAs可以在不施加外部电压的情况下产生电流。而且,电流的方向取决于Weyl费米子的手征性,并且可以通过将光偏振从左手变为右手来切换。

以这种方式产生的电流量竟然非常大 - 比用于检测这种光的其他材料的响应强10到100倍。这可以使该材料对于这个中红外光谱部分中的极其敏感的光检测器有用。

Gedik解释说:“尽管很久以前就有人预言,Weyl费米子在粒子物理学中从未被观察过。但他说,新的实验已经表明,在这些非常规金属中,普通电子“可以以一种奇怪的方式行动,使得它们的运动模仿Weyl费米子的行为”,并且可以表现出一系列新颖性质。自从Weyl最初的假设以来,“许多人怀疑中微子是Weyl费米子,”Xu说。中微子是亚原子粒子,几乎以光速穿越宇宙,一直被认为没有质量,就像定位的Weyl费米子一样。但是,当发现神经细胞确实有一个微小但可测量的质量时,排除了这种可能性,实际上Weyl费米子仍然没有被观察到。 “但是,像TaAs这样的semimetals电子行为的方式非常模仿 “Weyl费米子预测的结果支持了Weyl最初的理论,”Ma说。 Ma说:“电子可以像Weyl费米子一样在这些金属中表现出来。 “他们总是成对地总是有相反的手性。”

虽然其他人观察到这些材料中电子的一些不寻常的行为,以前没有人能够探究Weyl费米子的关键方面,即他们的左或右手旋转。但在这项研究中,“我们想出了一种测量手性的方法,”徐说,通过使用圆偏振光来触发电流,并显示相反的光偏振导致电流在相反的方向上移动。通过使用附着在材料上的不同光偏振的电极来测量电流,他们能够推断负责该电流的Weyl费米子的手性。加拿大滑铁卢大学物理学和天文学副教授安东·布尔科夫(Anton Burkov)说:“这项工作的重要性在于,这是有史以来第一次直接观测魏尔费米子的手性。这项工作。 “Weyl费米子的手征性电荷确实有其他直接后果,如费米弧边缘态,但是人们希望直接用电磁响应来测量这个性质。这项研究报告了第一次这样的测量。“

研究小组还包括前博士后陈清洁(现在是洛杉矶加利福尼亚大学的助理兼职教授);研究生林雨轩;麻省理工学院副教授Tomas Palacios和William and Emma Rogers教授Patrick Lee;张振龙,北京大学双佳副教授,新加坡国立大学的张国庆和辛琳副教授;路易斯安那州立大学助理教授谢伟伟。这项工作得到了美国能源部,戈登和贝蒂·摩尔基金会以及国家科学基金会的支持。