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».

Спектральная функция (Фермиевские дуги) поверхностных состояний моносилицида кобальта. Александр Бурков

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.