Zespół pracujący pod kierunkiem profesora Antonio Politano z Uniwersytetu w L’Aquila we Włoszech, wraz z naukowcami linii URANOS, zidentyfikował i scharakteryzował nowy materiał chiralny, CdAs2, który wykazuje rzadki fermion Kramersa-Weyla. Chiralność, która odnosi się do asymetrii przestrzennego rozmieszczenia cząsteczek, odgrywa kluczową rolę w wielu dziedzinach nauki, w tym w biochemii i w naukach o materii. Kryształy chiralne wykazują dobrze zdefiniowaną kierunkowość z powodu złamania symetrii inwersyjnej, lustrzanej lub innych symetrii rotacji z inwersją.

CdAs2, kryształ złożony z kadmu i arsenu, jest obiecującym materiałem kwantowym o potencjalnych zastosowaniach w elektronice, spintronice i informatyce kwantowej. Badacze użyli kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoemisyjnej (ARPES), aby zbadać strukturę elektronową CdAs2 i stwierdzili, że wykazuje ona zachowanie fermionów Kramersa-Weyla, które jest niezwykle rzadkie w materiałach chiralnych. Fermiony to cząstki subatomowe, które spełniają zasadę zakazu Pauliego, która mówi, że żadne dwa identyczne fermiony nie mogą jednocześnie zajmować tego samego stanu kwantowego. Fermiony Kramersa-Weyla, nazwane na cześć fizyków Hendrika Kramersa i Hermanna Weyla, są rodzajem egzotycznych fermionów, których istnienie ostatnio przewidziano w pewnych materiałach topologicznych. Fermion Kramersa-Weyla to rodzaj cząstki posiadającej zarówno spin, jak i pęd, a jego zachowanie jest chronione/zachowywane przez symetrię odwracania czasu. Ta właściwość czyni go potencjalnym budulcem dla nowych urządzeń kwantowych, ponieważ może być używany do przenoszenia informacji w sposób topologicznie chroniony.
Odkrycie fermionów Kramersa-Weyla w CdAs2 to znaczący przełom w dziedzinie fizyki kwantowej. Nie tylko dostarcza ono dalszych dowodów na istnienie egzotycznych fermionów w materiałach topologicznych, ale także otwiera nowe drogi badań nad właściwościami tych materiałów i ich potencjalnymi zastosowaniami w przyszłych technologiach. 

Figure 1. Crystal structure and electronic band structure of bulk CdAs2. (a) Optimized primitive (left) and conventional (right) unit cells of CdAs2. (b) First Brillouin zone of the primitive cell. (c) Calculated electronic band structure without SOC effects. (d) Calculated electronic band structure including SOC effects. The Fermi level is set to zero and marked by a horizontal red dashed line. Cd and As atoms are represented by yellow and purple balls, respectively. The Kramers–Weyl nodes (d) are marked by yellow circles.

Napisane przez: Antonio Politano, Natalia Olszowska

Link do publikacji:

F. Mazzola et al., Fermiology of Chiral Cadmium Diarsenide CdAs2, a Candidate for Hosting Kramers–Weyl Fermions, J Phys Chem Lett 14, 3120 (2023). doi: 10.1021/acs.jpclett.3c00005