​Российские ученые впервые описали топологическую электронную структуру моносилицида кобальта и обнаружили, что материал относится к новому типу полуметаллов. Результаты исследования описаны в журнале Journal of Physics: Condensed Matter. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).

Поведение электронов в любом твердом теле (металле, полупроводнике, диэлектрике) определяется законом дисперсии — зависимостью энергии частицы от ее импульса. Внутри кристаллической решетки твердого тела электроны и другие частицы ведут себя иначе, чем в свободном состоянии. Например, в графене (двумерной модификации графита) закон дисперсии таков, что эффективная масса носителей заряда обращается в ноль, и этим объясняются уникальные проводящие свойства этого материала. Известны также полуметаллы Вейля, электронный спектр которых является трехмерным аналогом спектра графена. Носители заряда в них называются фермионами Вейля. Авторы исследования обнаружили новый тип полуметалла, закон дисперсии в котором отличается от всех ранее известных.

Ученые из Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе совместно с коллегой из Университета Уотерлу (Канада) выполнили первопринципные вычисления (то есть расчеты, не использующие упрощающих моделей) электронной структуры моносилицида кобальта (CoSi). Оказалось, что это соединение относится к совершенно новому типу полуметаллов — веществ, занимающих промежуточное положение между металлами и полупроводниками.


«Моносилицид кобальта давно известен как перспективный для термоэлектрических применений полуметалл. В первоначальных исследованиях предполагалось, что энергетический спектр электронов соответствует типичным полуметаллам. Однако тип и симметрия кристаллической решетки этого соединения указывают на то, что этот материал может иметь топологически нетривиальную электронную структуру. Это обстоятельство явилось для нас основанием для теоретических и экспериментальных исследований моносилицида кобальта», — рассказал Александр Бурков, один из авторов исследования, заведующий лабораторией физики термоэлементов физико-технического института им. А. Ф. Иоффе.


Необычные топологические свойства электронной структуры могут возникать только при определенной симметрии кристаллической решетки полуметалла. Исследование электронной структуры моносилицида кобальта показало, что носители заряда в нем имеют свойства, отчасти подобные свойствам фермионов Вейля. Однако электронный спектр в новом материале значительно отличается от свойств полуметаллов Вейля, и других известных полуметаллов, поэтому носители заряда в таких материалах называют «новыми фермионами».

В дальнейших исследованиях ученые надеются определить возможные практические применения нового типа материала и экспериментально исследовать его топологические свойства. Предварительные экспериментальные исследования электронных и тепловых свойств соединения при низких температурах уже позволили обнаружить ряд необычных особенностей, которые могут быть связаны с необычной топологией электронной структуры.


«Сейчас мы исследуем транспортные свойства моносилицида кобальта и его сплавов с железом. Ведется подготовка экспериментального исследования электронной структуры с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Кроме того, с практической точки зрения, важным является исследование природы высокой для полуметаллов термоэлектродвижущей силы в данном материале, ее зависимости от температуры и состава при образовании изоструктурных твердых растворов с замещением атомов кобальта на атомы железа и никеля», — добавил ученый. 

Похожие новости

  • 23/07/2018

    Российские физики создали суперлюминесцентный световод для космических аппаратов

    Оптоволокно с добавкой висмута может стать мощным суперлюминесцентным источником излучения для инструментов и приборов, работающих в космосе.   Исследователи из Научного центра волоконной оптики (НЦВО) РАН и Института химии высокочистых веществ им.
    98
  • 10/05/2018

    ​Российские ученые разработали новый тип оптического волокна для лазеров

    ​Российские физики разработали новый тип оптического волокна для лазеров, излучающих в области 1,6–1,8 микрометров, и изучили его уникальные характеристики. Работа проводится впервые в мире, а ее результаты опубликованы в журнале IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.
    219
  • 06/03/2018

    Ученые предложили способ получения электрон-позитронной плазмы экстремально высокой плотности

    ​Ученые из Федерального исследовательского центра Институт прикладной физики РАН совместно с коллегами из Нижегородского государственного университета нашли условия, при которых лавинообразное рождение электронов и позитронов в фокусе сверхмощного лазерного импульса приводит к возникновению плазмы рекордно высокой плотности.
    251
  • 20/06/2018

    Ученые объяснили формирование суперземель

    ​Российские ученые проанализировали эволюцию молодых звезд и выяснили, как формируются планеты на ранних стадиях. Это поможет изучать процессы, происходящие при образовании экзопланет, что позволит лучше понять структуру и строение космических тел, находящихся в том числе и в Солнечной системе.
    155
  • 15/08/2018

    Описаны механизмы увеличения энергии электронов в химических реакциях

    ​Ученые описали, как можно увеличить энергию электронов в ходе химических реакций. Принципы этого процесса используются в химическом синтезе, однако детально их ранее не исследовали. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в журнале Angewandte Chemie.
    27
  • 29/12/2017

    Топ-20 наиболее интересных разработок сибирских ученых в 2017 году

    На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-20  сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2017 года, размещенных на нашем портале.
    799
  • 14/05/2018

    Ученые знают, как заставить проводник из графена лучше работать

    ​Графен – очень хороший проводник и перспективный материал, обладающий необычными свойствами. Сегодня ученые могут изготавливать уникально чистые образцы графена, которые содержат всего несколько примесей, мешающих его работе.
    151
  • 15/05/2018

    Российские ученые обнаружили аномалии в изменении теплоемкости кристаллов

    ​Российские ученые из МГТУ им. Н.Э. Баумана и Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН исследовали необычное увеличение теплоемкости кристаллов, которое проявляется, если между частицами действуют силы с ограниченным радиусом действия.
    261
  • 20/07/2018

    Ученые исследуют распространение тепла в сверхчистых кристаллах

    Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали математическую модель процессов, происходящих при распространении тепла в сверхчистых кристаллах. Это откроет перспективы создания новых материалов для использования в охлаждающих контурах различного оборудования.
    102
  • 17/03/2017

    Сибирские физики создадут точнейшие атомные часы

    Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и из Новосибирского государственного технического университета разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf.
    1325