Weyl fermioner opdaget i en anden klasse af materialer

En særlig slags elementarpartikel, Weyl fermioner, blev først opdaget for et par år siden. Deres speciale:de bevæger sig gennem et materiale på en velordnet måde, der praktisk talt aldrig lader dem kollidere med hinanden og er derfor meget energieffektive. Dette åbner spændende muligheder for fremtidens elektronik. Indtil nu, Weyl-fermioner var kun blevet fundet i visse ikke-magnetiske materialer. Men nu for allerførste gang, forskere ved Paul Scherrer Institute PSI har eksperimentelt bevist deres eksistens i en anden type materiale:en paramagnet med iboende langsomme magnetiske udsving. Dette fund viser også, at det er muligt at manipulere Weyl-fermionerne med små magnetfelter, potentielt muliggør deres anvendelse i spintronics, en lovende udvikling inden for elektronik til ny computerteknologi. Forskerne offentliggjorde deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Videnskabens fremskridt .

Blandt de tilgange, der kan bane vejen for fremtidens energieffektive elektronik, Weyl-fermioner kunne spille en spændende rolle. Findes eksperimentelt kun inde i materialer som såkaldte kvasipartikler, de opfører sig som partikler, der ikke har nogen masse. Forudsagt teoretisk i 1929 af matematikeren Hermann Weyl, deres eksperimentelle opdagelse af videnskabsmænd ved PSI kom først i 2015. Indtil videre Weyl-fermioner var kun blevet observeret i visse ikke-magnetiske materialer. Men nu et team af forskere ved PSI sammen med forskere i USA, Kina, Tyskland og Østrig fandt dem også i et specifikt paramagnetisk materiale. Denne opdagelse kunne bringe en potentiel brug af Weyl-fermioner i fremtidens computerteknologi et skridt nærmere.

Søger efter langsomme magnetiske udsving

"Den svære del, " siger Junzhang Ma, postdoktor ved PSI og førsteforfatter til det nye studie, "var at identificere et passende magnetisk materiale til at lede efter disse Weyl-fermioner." Årevis, selvom den accepterede teoretiske antagelse havde været, at i visse magnetiske materialer kunne Weyl-fermioner eksistere alene, eksperimentelt bevis for dette manglede stadig på trods af betydelig indsats fra flere forskningsgrupper verden over. Holdet af videnskabsmænd ved PSI fik dengang ideen om at rette opmærksomheden mod en bestemt gruppe magnetiske materialer:paramagneter med langsomme magnetiske udsving.

"I specifikke paramagnetiske materialer, disse iboende magnetiske fluktuationer kunne være tilstrækkelige til at skabe et par Weyl-fermioner, " siger Ming Shi, som er professor i samme forskningsgruppe som Ma:the Spectroscopy of Novel Materials Group. "Men vi forstod, at udsvingene skulle være langsomme nok, for at Weyl-fermionerne kunne dukke op. Fra dette tidspunkt af, at identificere, hvilket materiale der kunne have tilstrækkelig langsomme magnetiske udsving blev vores primære udfordring."

Da den karakteristiske tid for de magnetiske udsving ikke er en funktion, der kan kontrolleres i et referenceværk for hvert materiale, det tog forskerne noget tid og kræfter at finde et passende materiale til deres eksperiment. Modelanalyse i teoretisk fysik også udført på PSI hjalp dem med at identificere en lovende kandidat med langsomme magnetiske udsving:materialet med den kemiske notation EuCd ₂ Som ₂ :Europium-Cadmium-Arsen. Og sandelig, i dette paramagnetiske materiale, forskerne var i stand til eksperimentelt at bevise Weyl-fermioner.

Målinger med muoner og røntgenstråler

Forskerne brugte to af PSIs store forskningsfaciliteter til deres eksperimenter:For det første, de brugte den schweiziske muonkilde (SμS) til at måle og bedre karakterisere de magnetiske fluktuationer i deres materiale. Efterfølgende de visualiserede Weyl-fermionerne med en røntgenspektroskopimetode ved Swiss Light Source SLS.

"Hvad vi har bevist her er, at Weyl-fermioner kan eksistere i en bredere vifte af materialer end tidligere antaget, " siger Junzhang Ma. Forskernes forskning udvider således markant rækken af ​​materialer, der anses for levedygtige i jagten på materialer, der egner sig til fremtidens elektronik. Inden for et udviklingsområde kaldet spintronics, Weyl-fermioner kunne bruges til at transportere information med meget højere effektivitet end den, der opnås af elektroner i nutidens teknologi.