Zespół fizyków z Instytutu Fizyki PAN i NCPS SOLARIS UJ 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.
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 synchrotronie SOLARIS.
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.
