Kaster lys over Weyl fermioner

Forskere fra Theory Department of MPSD i Hamburg og North Carolina State University i USA har demonstreret, at den længe søgte magnetiske Weyl semi-metalliske tilstand kan induceres af ultrahurtige laserpulser i en tredimensionel klasse af magnetiske materialer kaldet pyrochlore iridater . Deres resultater, som er blevet offentliggjort i Naturkommunikation , kunne muliggøre højhastigheds-magneto-optiske topologiske switch-enheder til næste generations elektronik.

Alle kendte elementarpartikler kan sorteres i to kategorier:bosoner og fermioner. Bosoner bærer kræfter som den magnetiske kraft eller tyngdekraften, mens fermioner er stofpartikler, som elektroner. Teoretisk blev det forudsagt, at fermioner selv kan findes i tre arter, opkaldt efter fysikerne Dirac, Weyl og Majorana.

Elektroner i det frie rum er Dirac fermioner, men i faste stoffer, de kan ændre deres natur. I det atomare tynde kulstofmateriale grafen, de bliver masseløse Dirac fermioner. I andre nyligt opdagede og fremstillede materialer, de kan også blive Weyl og Majorana fermioner, hvilket gør sådanne materialer interessante for fremtidige teknologier såsom topologiske kvantecomputere og andre nye elektroniske enheder.

I kombination med en bølge af bosoner, nemlig fotoner i en laser, fermioner kan transformeres fra en type til en anden, som foreslået af MPSD-teoretikere i 2016. Nu, en ny undersøgelse ledet af ph.d. studerende Gabriel Topp i Emmy Noether -gruppen af ​​Michael Sentef foreslår, at elektronspins kan manipuleres med korte lyspulser for at skabe en magnetisk version af Weyl fermioner fra en magnetisk isolator. Baseret på en tidligere undersøgelse ledet af MPSD-postdoktorforsker Nicolas Tancogne-Déjean og teoridirektør Angel Rubio, forskerne brugte ideen om laserstyret elektron-elektron-repulsion til at undertrykke magnetisme i et pyrochlor-irideret materiale, hvor elektronspin er placeret på et gitter af tetraedre.

På dette gitter, elektronspin, som små kompasnåle, peg all-in på midten af ​​tetraederet og all-out i den nærliggende. Dette all-in, all-out kombination, sammen med længden af ​​kompasnålene, fører til isolerende adfærd i materialet uden lysstimulering. Imidlertid, moderne computersimuleringer på store computerklynger afslørede, at når en kort lyspuls rammer materialet, nålene begynder at rotere på en sådan måde, at, gennemsnitlig, de ligner kortere nåle med mindre stærk magnetisk rækkefølge. Udført på den helt rigtige måde, denne reduktion af magnetisme fører til, at materialet bliver halvmetallisk med Weyl fermioner, der dukker op som de nye bærere af elektricitet i det.

"Dette er et rigtig godt skridt fremad i at lære, hvordan lys kan manipulere materialer på ultrakorte tidsskalaer, "siger Michael Sentef. Gabriel Topp siger, "Vi blev overrasket over, at selv en for stærk laserpuls, der skulle føre til en fuldstændig undertrykkelse af magnetisme og et standardmetal uden Weyl fermioner, kunne føre til en Weyl-tilstand. Dette skyldes, at på meget korte tidsskalaer, materialet har ikke tid nok til at finde en termisk ligevægt. Når alt ryster frem og tilbage, det tager noget tid, indtil den ekstra energi fra laserpulsen fordeles jævnt mellem alle partiklerne i materialet. "

Forskerne er optimistiske med, at deres arbejde vil stimulere mere teoretisk og eksperimentelt arbejde i denne retning. "Vi er lige i begyndelsen af ​​at lære at forstå de mange smukke måder, hvorpå lys og stof kan kombineres for at give fantastiske effekter, og vi ved ikke engang, hvad de kan være i dag, " siger Angel Rubio. "Vi arbejder meget hårdt sammen med en dedikeret og meget motiveret gruppe af talentfulde unge videnskabsmænd på MPSD for at udforske disse næsten ubegrænsede muligheder, så samfundet vil drage fordel af vores opdagelser."