Weyl-partikler påvist i stærkt korrelerede elektronsystemer

På TU Wien for nylig, partikler kendt som 'Weyl fermioner' blev opdaget i materialer med stærk interaktion mellem elektroner. Ligesom lette partikler, de har ingen masse, men ikke desto mindre bevæger de sig ekstremt langsomt.

Der var stor spænding tilbage i 2015, da det første gang var muligt at måle disse 'Weyl-fermioner' – besynderligt, masseløse partikler, der var blevet forudsagt næsten 90 år tidligere af tysk matematiker, læge og filosof, Hermann Weyl. Nu, endnu engang, der er sket et gennembrud inden for dette forskningsfelt, med forskere ved TU Wien som de første til at påvise Weyl-partikler i stærkt korrelerede elektronsystemer – dvs. materialer, hvor elektronerne har et stærkt samspil med hinanden. I materialer som dette, Weyl-partiklerne bevæger sig ekstremt langsomt, på trods af ingen messe. Opdagelsen skulle nu åbne døren til et helt nyt område inden for fysik, og muliggør hidtil uanede materiale-fysiske virkninger.

Kvasipartikler:kun muligt i fast tilstand

Efter at lægen Paul Dirac var nået frem til sin Dirac-ligning i 1928, som kan bruges til at beskrive relativistiske elektroners adfærd, Hermann Weyl fandt en særlig løsning til denne ligning – nemlig for partikler med nul masse, eller 'Weyl fermioner'. Neutrinoen blev oprindeligt anset for at være sådan en masseløs Weyl-partikel, indtil det blev opdaget, at det faktisk har masse. De mystiske Weyl-fermioner var, faktisk, opdaget for første gang i 2015; de viste sig ikke at være frie partikler som neutrinoen, som kan bevæge sig gennem universet uafhængigt af resten af ​​verden, men snarere 'kvasipartikler' i fast tilstand.

"Kvasipartikler er ikke partikler i konventionel forstand, men snarere excitationer af et system bestående af mange interagerende partikler, " forklarer prof. Silke Bühler-Paschen fra Institute of Solid State Physics ved TU Wien. I en vis forstand, de ligner en bølge i vand. Bølgen er ikke et vandmolekyle, det er snarere baseret på bevægelsen af ​​mange molekyler. Når bølgen bevæger sig fremad, det betyder ikke, at partiklerne i vandet bevæger sig med den hastighed. Det er ikke selve vandmolekylerne, men deres excitation i bølgeform, der spreder sig.

Imidlertid, selvom kvasipartiklerne i fast tilstand er resultatet af et samspil mellem mange partikler, fra et matematisk perspektiv kan de beskrives på samme måde som en fri partikel i et vakuum.

En "lyshastighed" på blot 100 m/s

Det bemærkelsesværdige ved eksperimentet, udført af Sami Dzsaber og andre medlemmer af forskningsgruppen for kvantematerialer ledet af Silke Bühler-Paschen ved TU Wien, er det faktum, at Weyl-partiklerne blev opdaget i et stærkt korreleret elektronsystem. Denne type materiale er af særlig interesse for faststoffysikkens område:deres elektroner kan ikke beskrives som adskilte fra hinanden; de er stærkt forbundne, og det er netop dette, der giver dem ekstraordinære egenskaber, fra højtemperatursuperledning til nye former for faseovergange.

"De stærke vekselvirkninger i sådanne materialer fører normalt, via den såkaldte Kondo-effekt, til partikler, der opfører sig, som om de havde en ekstremt stor masse, " forklarer Sami Dzsaber. "Så det var forbløffende for os at opdage Weyl-fermioner med en masse på nul i denne særlige type materiale." Ifølge relativitetslovene, frie masseløse partikler skal altid spredes med lyshastighed. Dette er, imidlertid, ikke tilfældet i faste tilstande:"Selvom vores Weyl-fermioner ikke har nogen masse, deres hastighed er ekstremt lav, " siger Bühler-Paschen. Den faste tilstand giver dem til en vis grad sin egen faste 'lyshastighed'. Dette er lavere end 1000 m/s, altså kun omkring tre milliontedele af lysets hastighed i et vakuum. "Som sådan, de er endda langsommere end fononer, analogen til vandbølgen i fast tilstand, og dette gør dem sporbare i vores eksperiment."

På jagt efter nye effekter

Samtidig med at disse målinger blev foretaget på TU Wien, teoretiske undersøgelser blev udført under ledelse af Qimiao Si ved Rice University i Texas – Bühler-Paschen var gæsteprofessor der på det tidspunkt – som så på spørgsmålet om, hvordan disse Weyl-fermioner overhovedet kunne eksistere i et stærkt korreleret materiale. Denne kombination af eksperiment og teori gav således et afgørende billede af den nye effekt, som nu gør det muligt at udføre ny forskning.

De nyligt opdagede kvasipartikler er interessante af en række årsager:"Selv om Weyl-fermioner oprindeligt blev fundet i andre materialer, det er meget nemmere at kontrollere effekten i vores stærkt korrelerede materialer, " siger Silke Bühler-Paschen. "På grund af deres lave energi, det er betydeligt nemmere at påvirke dem ved hjælp af parametre som tryk eller et eksternt magnetfelt." Det betyder, at Weyl-fermionerne også kan bruges til teknologiske anvendelser.

Weyl-fermionerne er kun spredt i materialet i minimal grad, hvilket betyder, at de kan lede elektrisk strøm næsten uden tab – det har stor betydning for elektronik. De vil sandsynligvis også være ekstremt interessante for spintronics-området, et fremskridt inden for elektronik, hvor ikke kun partiklernes elektriske ladning, men også deres spin bruges. Weyl-fermioner vil være af interesse her på grund af deres særligt robuste spin. Partiklen skulle også være særligt velegnet til brug i kvantecomputere. "Dette er en rigtig spændende udvikling, " siger Bühler-Paschen.