Z pozoru zwyczajna i dobrze znana cyna przejawia unikalne właściwości elektronowe w ekstremalnych, ale dobrze kontrolowanych warunkach. Odkrycia, że przekształca się w półmetale Diraca i Weyla dokonała międzynarodowa grupa naukowców, kierowana przez pracowników Międzynarodowego Centrum Badawczego MagTop w Instytucie Fizyki PAN.

Cyna (Sn, łac. stannum) jest popularnym, znanym od starożytności, pierwiastkiem chemicznym historycznie wykorzystywanym do produkcji naczyń i zabezpieczania powierzchni żelaza przed korozją. Współcześnie jest używana głównie w elektronice w stopach lutowniczych i w ważnych technicznie stopach miedzi. Cyna występuje w dwóch odmianach alotropowych. Zwykle, w powszechnie znanej postaci jest to szaro-srebrzysty miękki metal, krystalizujący w układzie tetragonalnym, o gęstości 7,3 g/cm³ tak zwana odmiana β (beta). W temperaturach poniżej ok. 13^oC cyna przechodzi powoli w niemetaliczną odmianę α (alfa), tzw. szarej cyny, o regularnej strukturze krystalicznej i gęstości 5,85 g/cm³. Ta druga odmiana cyny występuje w postaci szarego proszku, który dotychczas wydawał się niezbyt interesujący, a wręcz szkodliwy, z czym wiąże się też nazwa tej przemiany fazowej znanej jako "zaraza cynowa". Najnowsze wyniki badań zespołu naukowców z Międzynarodowego Centrum Sprzężenia Magnetyzmu i Nadprzewodnictwa z Materią Topologiczna - MagTop w Instytucie Fizyki PAN , opublikowane właśnie w czasopiśmie Materials Today, pokazują natomiast fascynujące właściwości elektroniczne właśnie tej niskotemperaturowej, α-Sn, formy cyny.

Połączenie wielu uzupełniających się metod doświadczalnych pozwoliło wykazać, że szara cyna poddana dwuosiowemu naprężeniu ściskającemu staje się topologicznym półmetalem Diraca, a pod wpływem dodatkowego zewnętrznego pola magnetycznego przechodzi w fazę półmetalu Weyla. W obu przypadkach te szczególne własności wynikają z efektów relatywistycznych, charakterystycznych dla pierwiastków o dużym ładunku elektrycznym jądra atomu i związanych z tym dużymi prędkościami elektronów pasmowych w krysztale, przyspieszanych w polu elektrycznym jądra. Jednym z przykładów tego typu zjawisk jest ujemny magnetoopór, będący przejawem anomalii chiralnej.

Odkrycia te były możliwe dzięki opracowaniu technologii wytwarzania metodą epitaksji z wiązek molekularnych warstw α-Sn o grubości poniżej 200 nm (mniej więcej tyle wynosi średnica wirusa COVID-19), stabilnych w temperaturze pokojowej. Niezbędne było też wykonanie mikrostruktur technikami litografii, podobnymi do tych wykorzystywanych w produkcji mikroprocesorów. Zastosowanie specjalnie przygotowanych, nieprzewodzących prądu, podłoży hybrydowych CdTe/GaAs umożliwiło bezpośrednie zbadanie właściwości elektronicznych szarej cyny. Względnie duży rozmiar otrzymanych próbek daje też nadzieję na przełożenie tych wyników na badania stosowane i ewentualne przyszłe zastosowania w obszarach nowych technologii elektronicznych, takich jak spintronika czy procesory kwantowe. Badania przeprowadzono we współpracy z grupami z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie (akcelerator SOLARIS), Uniwersytetu Johaneesa Keplera w Linzu i Uniwersytetu Sorbona w Paryżu, bazując na wieloletniej ekspertyzie Instytutu w wytwarzaniu cienkich warstw materiałów oraz nanostruktur, badaniach strukturalnych, nanotechnologii oraz pomiarach właściwości elektronicznych.