Weyl går chiralt

Kvasipartikler, der opfører sig som masseløse fermioner, kendt som Weyl fermions, har været i centrum for en række spændende fund inden for kondenseret fysik i de seneste år. Fysikergruppen Sebastian Huber ved ETH Zürich rapporterer nu om eksperimenter, hvor de fik styr på en af ​​de definerende egenskaber ved Weyl fermioner - deres kiralitet.

"I mit arbejde, Jeg har altid forsøgt at forene det sande med det smukke; da jeg skulle beslutte mig for en af ​​dem, Jeg har altid valgt det smukke. "Dette citat pryder væggen i en niche i Hermann Weyl -rummet i hovedbygningen i ETH Zürich, bag en skulptur af den tyske matematiker, fysiker og filosof Hermann Weyl, som var professor i højere matematik ved ETH fra 1913 til 1930.

I det tidsrum, Weyl producerede en relativistisk bølgeligning til beskrivelse af masseløse spin-1/2-partikler, som nu er kendt som Weyl fermioner. Rapporterer i dag i journalen Naturfysik , Valerio Peri og hans kollega Marc Serra-Garcia i gruppen af ​​Sebastian Huber på Institute for Theoretical Physics i ETH Zürich, sammen med Roni Ilan fra Tel-Aviv University (Israel), rapportere en eksperimentel undersøgelse, hvor de har observeret et spændende og konceptuelt vidtrækkende træk ved Weyls ærede teori:et muligt baggrundsfelt, der kobler forskelligt til Weyl fermioner af modsat kiralitet.

Masseløse fermioner er aldrig blevet observeret i naturen. I dag, vi ved, at Weyl fermioner opstår som kollektive ophidselser, såkaldte kvasipartikler, i mange kropssystemer. Dette blev realiseret eksperimentelt i 2015 i et krystallinsk materiale, hvor Weyl fermioner optræder som specifikke punkter i den elektroniske båndstruktur. Sådanne Weyl -punkter har også vist sig at eksistere i konstruerede periodiske strukturer, der interagerer med klassiske bølger, især med elektromagnetiske bølger (i fotoniske krystaller) og med akustiske bølger (i fononiske krystaller). Peri og kolleger vedtog en fononisk platform, bestående af 4800 omhyggeligt designet, 3-D-trykte enhedsceller arrangeret i en 3D-struktur (billedet ovenfor), hvor de interagerer med luftbårne lydbølger.

Sådanne akustiske metamaterialer har været kendt som egnede platforme til at udforske Weyl -fysik, men ETH -forskerne tilføjede et vigtigt spin til historien. De konstruerede et baggrundsfelt, der interagerer med Weyl -fermionerne på en måde, der ligner, hvordan et magnetfelt interagerer med elektroniske excitationer i en krystal. Da lydbølger ikke bærer nogen ladning, og er derfor inaktive over for magnetfelter, Peri et al. måtte finde andre midler til at manipulere kvasipartiklerne i deres system. De gjorde det ved lidt at variere geometrien i enhedscellerne, sådan at den rumlige placering, hvor Weyl -punkterne vises (i momentumrum) varierede i hele prøven. Denne ændring får deres akustiske system til at opføre sig som et elektronisk system nedsænket i et magnetfelt - med en vigtig forskel. De designet baggrundsfeltet sådan, at det kobler forskelligt til de to typer Weyl fermioner:dem med iboende vinkelmoment (spin) justeret parallelt med deres lineære momentum, og dem med anti-parallel justering. Med andre ord, feltet parrer forskelligt til partikler afhængigt af deres chiralitet.

Realiseringen af ​​et baggrundsfelt, der adskiller kiralitet, er et vigtigt skridt, som det går til hjertet af, hvorfor Weyl fermioner er så spændende inden for partikelfysik. Når fermioner af forskellig kiralitet kan manipuleres uafhængigt af hinanden, så kan klassiske bevaringslove brydes på kvante -niveau. For eksempel, gebyret for fermioner af en given kiralitet bevares ikke. En sådan adfærd giver anledning til den såkaldte chirale anomali, hvilket igen kan være nøglen til at forstå centrale træk ved standardmodellen for partikelfysik.

Peri og kolleger har nu demonstreret eksistensen af ​​forskellige kirale kanaler, giver dem uafhængig adgang til Weyl fermioner af modsat kiralitet i et massesystem. (Relaterede resultater er tidligere blevet rapporteret for elektroniske systemer i to dimensioner.) Efter at have indset sådan adfærd dybt forankret i teorien om højenergifysik med lavenergi lydbølger, der interagerer med et kondenseret system, lover en alsidig platform for yderligere at udforske fænomener relateret til Weyl fermioner, der er teoretisk blevet forudsagt, og at tage yderligere skridt i retning af at udnytte sådan adfærd på teknologiske områder, lige fra akustik til elektronik - uden at miste synet på den underliggende skønhed, der ledte Hermann Weyl.