Псевдорелятивистские фермионы Кейна в твердых растворах кадмий-ртуть-теллур

Известно, что законы микромира описываются квантовой механикой, а поведение релятивистских частиц, энергия которых значительно превышает энергию покоя, – теорией относительности. Однако, в некоторых полупроводниках существуют такие состояния, в которых носители заряда ведут себя подобно релятивистским частицам. Электроны в таких состояниях подчиняются уравнениям квантовой электродинамики – науки, объединившей квантовую механику и теорию относительности, и двигаются подобно нейтрино-релятивистским элементарным частицам с практически нулевой массой.

Наиболее известный пример таких состояний – это безмассовые фермионы Дирака в графене – двумерном слое углерода толщиной в один атом. Примечательно то, что электроны в графене получают релятивистские свойства не за счет огромных энергий и скоростей, а благодаря особой симметрии кристаллической решетки, поэтому они называются «псевдорелятивистскими». Для безмассовых частиц в уравнении Дирака существует сохраняющаяся величина, имеющая смысл проекции спина на направление движения, – величина, называемая спиральностью в квантовой электродинамике. В графене существует аналог, называемый киральностью (или хиральностью) и обозначающий проекцию псевдоспина So = 1/2 на направление движения.

Недавно в лабораториях Шарля Кулона (Монпелье, Франция) и Сильных магнитных полей (Гренобль, Франция) при сотрудничестве с ИФМ РАН (Нижний Новгород) и ИФП СО РАН (Новосибирск) в твердых растворах кадмий-ртуть-теллур, широко используемых в качестве фотоматриц ночного видения, были обнаружены «псевдорелятивистские» состояния нового типа – безмассовые фермионы Кейна [1, 2]. Свое название они получили в честь американского ученого Эвана О. Кейна, стоявшего у истоков k·p метода расчета зонной структуры узкозонных полупроводников, широко используемого в наше время.

Безмассовые фермионы Кейна имеют не только линейные ветви закона дисперсии, характерные для безмассовых «псевдорелятивистских» электронов, но и дополнительную ветвь, соответствующую носителям заряда с очень большой массой. Несмотря на то, что подобная зависимость энергии от квазиимпульса характерна для безмассовых киральных частиц с псевдоспином So =1, кейновские фермионы обладают особой симметрией и пока не имеют аналогов в физике элементарных частиц.

Массу покоя кейновских фермионов в растворах кадмий-ртуть-теллур можно плавно изменять, варьируя состав твердого раствора, температуру или давление. Возможные варианты зонной структуры при различных значениях массы покоя представлены на рисунках: (а) обычный полупроводник с положительной массой покоя, (б) состояние с безмассовыми фермионами Кейна, (в) случай «отрицательной» массы покоя, соответствующей инверсному расположению зон. В ходе исследований, выполненных в лаборатории Шарля Кулона в сотрудничестве с ИФМ РАН, было экспериментально подтверждено «псевдорелятивистское» поведение безмассовых кейновских фермионов, а также определена фундаментальная «скорость света» для таких частиц.

Оказалось, что «скорость света» для кейновских фермионов не зависит от состава твердого раствора и температуры и примерно равна «скорости» для безмассовых фермионов Дирака в графене, что в 300 раз меньше скорости света в вакууме [1].

А. М. Кадыков, мл. научный сотрудник отдела физики полупроводников ИФМ РАН

Авторы:
С. С. Криштопенко, А. М. Кадыков, М. С. Жолудев, А. В. Иконников, С. В. Морозов, В. И. Гавриленко (ИФМ РАН – филиал ИПФ РАН);
Н. Н. Михайлов, С. А. Дворецкий (ИФП СО РАН);
M. Orlita (LNCMI, Grenoble);
F. Teppe, M. Marcinkiewicz, S. Ruffenach, C. Consejo, W. Desrat, D. But, W. Knap (СCLaboratory, Montpellier);
J. Ludwig, S. Moon, D. Smirnov (NHMFL, Tallahassee, Florida, USA);
Z. Jiang (Georgia Inst. Of Technology, Atlanta, USA).

Публикации:

  1. Nature Communications v. 7, 12576 (2016).
  2. Nature Physics v. 10, 233–238 (2014).
  3. ФТП т. 47, вып. 12, стр. 1569–1574 (2013).