ワイル半金属

ワイル半金属（/ vaɪl / VILE）は、準粒子励起がワイルフェルミオンである半金属または金属であり、ワイルフェルミオンは量子場理論において重要な役割を果たしたが、真空中では基本粒子として観測されていない。^{[ 1 ]} これらの物質では、電子は線形分散関係を持ち、相対論的な質量のない粒子の固体アナログとなる。^{[ 2 ]}

ワイルフェルミオンは、ワイルスピノルという数学的概念を体現する質量ゼロのカイラルフェルミオンです。ワイルスピノルは、量子場理論と標準模型において重要な役割を果たし、量子場理論におけるフェルミオンの構成要素となっています。ワイルスピノルは、ヘルマン・ワイルによって導出されたディラック方程式（ワイル方程式と呼ばれる）の解です。^{[ 3 ]}例えば、特定のカイラリティを持つ荷電ディラックフェルミオンの半分はワイルフェルミオンです。^{[ 4 ]}

ワイルフェルミオンは、低エネルギー凝縮系物質において出現する準粒子として実現される可能性がある。この予測は、電子結晶などの固体システムの電子バンド構造の文脈で、1937年にコンヤーズ・ヘリングによって初めて提案された。 ^{[ 5 ] [ 6 ]}バンド反転遷移近傍のトポロジカル物質は、トポロジカルに保護されたバルク電子バンド交差の探索における主要なターゲットとなった。^{[ 7 ]}

提案されている最初の（非電子的な）液体状態は、同様に出現するが中性の励起を持ち、 フェルミ点の観測として理論的に解釈された超流動のカイラル異常はヘリウム3A超流動相にある。^{[ 8 ]}結晶性タンタルヒ素（TaAs）は、最初に発見されたトポロジカルワイルフェルミオン半金属であり、ワイルフェルミオンがヘリングによる最初の提案の線に沿って電気的に帯電するトポロジカル表面フェルミアークを示す。 ^{[ 6 ] [ 9 ]}電子ワイルフェルミオンは帯電しているだけでなく、そのような超流動状態や液体状態が知られていない室温でも安定している。

ワイル半金属は、室温でも電荷を運ぶワイルフェルミオンである低エネルギー励起を持つ固体結晶です。 ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}ワイル半金属は、電子システムでワイルフェルミオンを実現することを可能にします。^{[ 9 ]}これは、トポロジカル絶縁体を超えてトポロジカル分類を広げるヘリウム3A超流動相とともに、トポロジカルに非自明な物質相です。^{[ 14 ]}ゼロエネルギーのワイルフェルミオンは、運動量空間で分離されたバルクバンド縮退点、ワイルノード（またはフェルミ点）に対応します。ワイルフェルミオンは、左巻きまたは右巻きのいずれかの明確なカイラリティを持ちます。

ワイル半金属結晶では、ワイルノード（フェルミ点）に関連するカイラリティはトポロジカル電荷として理解でき、運動量空間のベリー曲率のモノポールと反モノポールにつながり、これら（分裂）はこの相のトポロジカル不変量として機能します。^{[ 11 ]}グラフェンやトポロジカル絶縁体の表面のディラックフェルミオンに匹敵するワイル半金属のワイルフェルミオンは最も頑丈な電子であり、結晶格子の並進対称性以外の対称性には依存しません。したがって、ワイル半金属のワイルフェルミオン準粒子は高い移動度を持ちます。非自明なトポロジのため、ワイル半金属はその表面にフェルミアーク電子状態を示すと予想されます。^{[ 9 ] [ 11 ]}これらの弧は、表面上のワイルフェルミオンノードの投影で終端する、2 次元フェルミ輪郭の不連続または分離したセグメントです。2012 年の超流動ヘリウム 3 の理論的調査^{[ 15 ]}は、中性超流動におけるフェルミ弧を示唆しました。

2015年7月16日、 反転対称性を破る単結晶材料タンタルヒ素（TaAs）において、ワイルフェルミオン半金属とトポロジカルフェルミアークの最初の実験的観測が行われた。^{[ 9 ]}ワイルフェルミオンとフェルミアーク表面状態は、 ARPESを用いた直接電子イメージングによって観測され、そのトポロジカルな性質が初めて確立された。^{[ 9 ]}この発見は、バングラデシュの科学者M Zahid Hasanが率いるチームが2014年11月に提案した以前の理論的予測に基づいている。^{[ 16 ] [ 17 ]}

ワイル点（フェルミ点）は、電子系での実験的観測よりも前に、フォトニック結晶などの非電子系でも観測されていました^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}。また、ヘリウム3超流動準粒子スペクトル（中性フェルミオン）^{[ 21 ]}でも観測されています。これらの系は電子凝縮系とは異なりますが、基本的な物理は非常に似ていることに注意してください。

TaAsは最初に発見されたワイル半金属（導体）です。ヨウ素を輸送剤として用いた化学気相輸送法により 、大型（約1cm）で高品質のTaAs単結晶^{[ 22 ]}が得られます。

TaAsは、格子定数a = 3.44 Å、c = 11.64 Åの体心正方晶単位格子で結晶化し、空間群はI41md（No. 109）である。Ta原子とAs原子は互いに6配位している。この構造には水平鏡面が存在しないため、ワイル半金属を実現するために不可欠な反転対称性を持たない。

TaAs単結晶は光沢のある面を持ち、それは3つのグループに分けられます。2つの切頂面は{001}、台形または二等辺三角形の面は{101}、長方形の面は{112}です。TaAsは点群4mmに属し、等価な{101}面と{112}面は二四方晶系の外観を形成するはずです。観察される形態は、理想的な形状の退化したケースのさまざまなものになる可能性があります。TaAsが最初にワイル半金属として発見されたことに加えて、Co ₂ TiGe、MoTe ₂、WTe ₂、LaAlGe、PrAlGeなどの他の多くの材料もワイル半金属挙動を示すことが確認されています。^{[ 23 ] [ 24 ]}

バルク中のワイルフェルミオンとワイル半金属の表面上のフェルミアークは、物理学と材料技術において興味深い。^{[ 3 ] [ 25 ]}荷電ワイルフェルミオンの高い移動度は、エレクトロニクスとコンピューティングで利用される可能性がある。

2017年に、ウィーン工科大学の研究チームが新しい材料^を開発するための実験作業を行い、ライス大学のチームが理論作業を行い、ワイル・近藤半金属と呼ばれる材料を製造し^{た。[ 26 ]}

ボストンカレッジのチームが率いる国際的な研究者グループは、2019年にワイル半金属タンタルヒ素が、これまで達成された値の10倍以上という、あらゆる物質の中で最大の固有光電気変換を実現することを発見した。^{[ 28 ]}

2D ワイル半金属は、(2+1)次元時空におけるワイルフェルミオンのトポロジカル特性へのアクセスを約束する、スピン偏極したグラフェンの類似体である。2024年、ミズーリ大学、国立成功大学、オークリッジ国立研究所のチームによって、エピタキシャル単層ビスムテンにおいて、スピン偏極したワイルコーンとトポロジカルなフェルミストリングエッジ状態を持つ固有の2D ワイル半金属が発見された。^{[ 29 ]}

• ジョンストン、ハミッシュ（2015年7月23日）「ついにワイルフェルミオンが発見される」 Physics World 。 2018年11月22日閲覧。
• Ciudad, David (2015年8月20日). "質量はないが実在する" . Nature Materials . 14 (9): 863. Bibcode : 2015NatMa..14..863C . doi : 10.1038/nmat4411 . ISSN 1476-1122 . PMID 26288972 .  
• Jia, Shuang; Xu, Su-Yang; Hasan, M. Zahid (2016年10月25日). "ワイル半金属、フェルミ弧、カイラル異常" . Nature Materials . 15 ( 11): 1140–1144 . arXiv : 1612.00416 . Bibcode : 2016NatMa..15.1140J . doi : 10.1038/nmat4787 . PMID 27777402. S2CID 1115349 .  

• ディラックコーン
• ディラック物質
• トポロジカル絶縁体