Fysikere udforsker uhåndgribelige højenergipartikler i en krystal

Mid-infrarøde bølgelængder af lys er usynlige for øjet, men kan være nyttige for en række teknologier, inklusive nattesyn, termisk sansning, og miljøovervågning. Nu, et nyt fænomen i et ukonventionelt metal, fundet af fysikere ved MIT og andre steder, kunne give en ny måde at lave meget følsomme detektorer for disse undvigende bølgelængder. Fænomenet er tæt forbundet med en partikel, som er blevet forudsagt af højenergifysikere, men aldrig observeret.

Fysikere grupperer alle de fundamentale partikler i naturen i to kategorier, fermioner og bosoner, ifølge en egenskab kaldet spin. Fermionerne, på tur, har tre typer:Dirac, Majorana, og Weyl. Dirac-fermioner omfatter elektronerne i almindelige metaller som kobber eller guld. De to andre er ukonventionelle partikler, der kan give anledning til mærkelig og fundamentalt ny fysik, som potentielt kan bruges til at bygge mere effektive kredsløb og andre enheder.

Weyl-fermion blev først teoretiseret for næsten et århundrede siden af ​​den tyske fysiker Hermann Weyl. Selvom dets eksistens er anført som en del af ligningerne, der danner den bredt accepterede standardmodel for subatomær fysik, Weyl-fermioner er faktisk aldrig blevet observeret eksperimentelt. Teorien forudsiger, at de skal bevæge sig med lysets hastighed, og, på samme tid, dreje rundt i bevægelsesretningen. De findes i to varianter afhængigt af om deres rotation rundt i bevægelsesretningen er med eller mod uret. Denne egenskab er kendt som handedness, eller chiralitet, af Weyl fermioner.

Selvom Weyl fermioner aldrig er blevet observeret direkte, forskere har for nylig observeret et fænomen, der efterligner væsentlige aspekter af deres teoretiserede egenskaber, i en klasse af ukonventionelle metaller kendt som Weyl-halvmetaller. En tilbageværende udfordring var at eksperimentelt måle chiraliteten af ​​disse Weyl-fermioner, som undgik påvisning fra de fleste standard eksperimentelle teknikker.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik , et MIT-hold var i stand til at måle Weyl fermion chiralitet ved at bruge cirkulært polariseret lys. Dette arbejde blev udført af MIT postdocs Qiong Ma og Su-Yang Xu; fysikprofessorer Nuh Gedik, Pablo Jarillo-Herrero, og Patrick Lee; og otte andre forskere ved MIT og andre universiteter i USA, Kina, og Singapore.

Specifikt, forskerne fandt ud af, at et metal kaldet tantalarsenid, eller TaAs, "udviser en interessant optoelektronisk egenskab kaldet den cirkulære fotogalvaniske effekt, " siger Gedik, en lektor ved Institut for Fysik. Konventionelt, elektrisk ledning kræver påføring af en ekstern spænding over de to ender af et metal (såsom kobber). Derimod forskerne fandt i dette arbejde, at ved at skinne cirkulært polariseret lys i det mellem-infrarøde bølgelængdeområde, TaAs kan producere en elektrisk strøm uden at påføre eksterne spændinger. I øvrigt, strømmens retning er dikteret af Weyl-fermioners chiralitet og kan skiftes ved at ændre lyspolariseringen fra venstrehåndet til højrehåndet.

Mængden af ​​strøm, der genereres på denne måde, viser sig at være overraskende stor - 10 til 100 gange stærkere end responsen fra andre materialer, der bruges til at detektere denne slags lys. Dette kunne gøre materialet nyttigt til ekstremt følsomme lysdetektorer i denne melleminfrarøde del af spektret.

"På trods af at det var forudsagt for lang tid siden, Weyl-fermioner er aldrig blevet observeret som en grundlæggende partikel i partikelfysik, " forklarer Gedik. Men de nye eksperimenter, han siger, har vist, at i disse ukonventionelle metaller, almindelige elektroner "kan opføre sig på en mærkelig måde, så deres bevægelse efterligner Weyl-fermioners adfærd, " og kan udvise en række nye egenskaber.

Gennem årene siden Weyls oprindelige hypotese, "Mange mennesker havde mistanke om, at neutrinoer var Weyl-fermioner, " siger Xu. Neutrinoer er subatomære partikler, der suser gennem universet med næsten lysets hastighed og længe har været antaget at have ingen masse overhovedet, ligesom de stillede Weyl-fermioner. Men derefter, da det blev opdaget, at neurinoer faktisk havde en lille, men målbar masse, den mulighed var udelukket, og egentlige Weyl-fermioner er stadig aldrig blevet observeret. "Men måden elektronernes adfærd i halvmetaller som TaAs tæt efterligner det, der blev forudsagt for Weyl-fermioner, støtter Weyls oprindelige teori, " siger mor.

Elektroner "kan opføre sig som Weyl-fermioner i disse metaller, " siger mor. "De kommer altid i par, der altid har modsat chiralitet."

Mens andre havde observeret noget af den usædvanlige opførsel af elektroner i disse materialer, ingen havde tidligere været i stand til at undersøge nøgleaspektet af Weyl-fermionerne, nemlig deres venstre- eller højrehåndede spin. Men i denne forskning, "vi fandt ud af en måde at måle chiraliteten på, " Xu siger, ved at bruge cirkulært polariseret lys til at udløse den elektriske strøm, og viser, at modsatte lyspolariseringer fik strømmen til at bevæge sig i modsatte retninger. Ved at måle strømmen ved hjælp af elektroder fastgjort til materialet til forskellige lyspolariseringer, de var i stand til at udlede chiraliteten af ​​Weyl-fermioner, der var ansvarlige for denne strøm.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.