Zespół fizyków z Instytutu Fizyki PAN i Centrum SOLARIS zaobserwował topologiczne przejście Lifshitza w semimetalu Weyla - fosforku niobu (NbP) poprzez dekorację jego powierzchni ciężkimi pierwiastkami (Pb lub Nb). Fermiony Weyla w masie i łuki Fermiego na powierzchni półmetali Weyla są przedmiotem zainteresowania fizyki i technologii materiałowej.

Semimetale Weyla

Fosforek niobu jest bardzo ciekawym materiałem, reprezentantem tzw. semimetali Weyla. Semimetale Wayla charakteryzują się występowaniem fermionów Weyl'a w masie (czyli bezmasowych cząstek o spinie 1/2) i łuków Fermiego na powierzchni. Niezwykle duża ruchliwość naładowanych fermionów Weyl'a w semimetalach może znaleźć swoje zastosowanie w elektronice i informatyce. Badania nad semimetalami dostarczają nie tylko fizycznych ciekawostek, ale prowadzą także do powstania materiałów nowej elektroniki.

Naukowcy z Instytutu Fizyki w Warszawie wyhodowali pojedyncze kryształy NbP i scharakteryzowali ich właściwości powierzchniowe za pomocą kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoelektronów (ARPES) na linii URANOS (wcześniej UARPES) w SOLARIS.

Nieoczekiwana modyfikacja powierzchni Fermiego

Ashutosh S. Wadge (International Research Centre MagTop, Instytut Fizyki PAN), pierwszy autor pracy opublikowanej w Physical Review B wyjaśnia szczegółowo zjawisko w następujący sposób:

Fosforek niobu (NbP) jest reprezentatywnym przykładem tzw. semimetali Weyla. Materiały te mają nietypową strukturę pasmową, w której liniowe  pasma walencyjne i przewodnictwa spotykają się w dyskretnych punktach Weyla. Inną ważną cechą semimetali Weyla jest obecność powierzchniowych łuków Fermiego, które łączą na powierzchniowym rzucie pary punktów Weyla o przeciwnej chiralności. Powierzchniowe łuki Fermiego są unikalnymi otwartymi powierzchniami Fermiego, które są niepodobne do zamkniętych powierzchni Fermiego w konwencjonalnych materiałach i dają początek wielu egzotycznym zjawiskom, takim jak anomalne oscylacje kwantowe, chiralne efekty magnetyczne, trójwymiarowy kwantowy efekt Halla i anomalne transmisje  fal elektromagnetycznych. Ponieważ te intrygujące zjawiska dotyczą głównie powierzchniowych łuków Fermiego , stąd z punktu widzenia badań podstawowych i zastosowań bardzo istotne jest znalezienie efektywnego sposobu kontroli i modyfikacji łuków Fermiego, np. przełączania ich pomiędzy parami punktów Weyla.  Badaliśmy właściwości elektronowe powierzchni NbP o terminacji fosforowej  i niobowej  po osadzeniu ołowiu i niobu. Zaobserwowano nieoczekiwaną modyfikację powierzchni Fermiego jedną monowarstwą Pb, która wpłynęła na łuki Fermiego w taki sposób, że zamieniła parę punktów Weyla i połączyła dwie sąsiednie strefy Brillouina. Tę zmianę powierzchni Fermiego przypisuje się topologicznemu przejściu Lifshitza z zachowaną charakterystyką topologiczną nawet po zaburzeniu powierzchni. Co ciekawe, 1.9 ML Pb na Nb-terminowanym NbP wykazało zwykłe przejście Lifshitza bez wpływu na łuki Fermiego, podczas gdy 0.8 ML Nb na powierzchni o terminacji P zmodyfikowało powierzchnię Fermiego z częściowym topologicznym przejściem Lifshitza.  

Link do publikacji:

Ashutosh S. Wadge, Bogdan J. Kowalski, Carmine Autieri, Przemysław Iwanowski, Andrzej Hruban, Natalia Olszowska, Marcin Rosmus, Jacek Kołodziej, and Andrzej Wiśniewski, Topological Lifshitz transition in Weyl semimetal NbP decorated with heavy elements, Phys. Rev. B 105, 235304 (2022), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.235304