Brud i tidsmæssig symmetri producerer molekyler, der kan kode information

I en undersøgelse offentliggjort i Videnskabelige rapporter , en gruppe forskere tilknyttet São Paulo State University (UNESP) i Brasilien beskriver et vigtigt teoretisk fund, der kan bidrage til udviklingen af ​​quantum computing og spintronics (spin elektronik), en ny teknologi, der bruger elektron -spin eller vinkelmoment frem for elektronladning til at bygge hurtigere, mere effektive enheder.

Undersøgelsen blev støttet af São Paulo Research Foundation - FAPESP. Dens hovedforsker var Antonio Carlos Seridonio, en professor i UNESP's Institut for Fysik og Kemi på Ilha Solteira, São Paulo delstat. Hans kandidatstuderende Yuri Marques, Willian Mizobata og Renan Oliveira deltog også.

Forskerne observerede, at molekyler med kapacitet til at kode information produceres i systemer kaldet Weyl-halvmetaller, når tidsomvendt symmetri brydes.

Disse systemer kan betragtes som tredimensionelle versioner af grafen og er forbundet med meget særegen slags objekter kaldet Weyl fermioner. Disse er masseløse, kvasi-relativistisk, kirale partikler-kvasi-relativistiske, fordi de bevæger sig på samme måde som fotoner (de grundlæggende "partikler" af lys) og opfører sig som om de var relativistiske, kontraherende plads og udvidelse af tid.

Udtrykket "chiral" gælder for et objekt, der ikke kan overlejres på sit spejlbillede. En kugle er achiral, men vores venstre og højre hånd er chirale. I tilfælde af Weyl fermioner, kiralitet får dem til at opføre sig som magnetiske monopoler, i modsætning til alle magnetiske objekter i den trivielle verden, som opfører sig som dipoler.

Weyl fermioner blev foreslået i 1929 af tysk matematiker, fysiker og filosof Hermann Weyl (1885-1955) som en mulig løsning på Diracs ligning. Formuleret af den britiske teoretiske fysiker Paul Dirac (1902-1984), denne ligning kombinerer principper for kvantemekanik og særlig relativitet til at beskrive elektroners adfærd, kvarker og andre objekter.

Weyl fermioner er hypotetiske enheder og er aldrig blevet observeret frit i naturen, men undersøgelser udført i 2015 viste, at de kan være grundlaget for at forklare visse fænomener.

Ligner Majorana fermioner, som også løser Diracs ligning, Weyl fermioner manifesterer sig som kvasi-partikler i molekylære systemer af kondenseret stof.

Dette felt, hvor højenergifysik og kondenseret stoffysik konvergerer, har mobiliseret store forskningsindsatser, ikke kun på grund af de muligheder, det giver for udviklingen af ​​grundvidenskab, men også fordi disse kvasi-partiklers særegenheder en dag kan bruges i kvanteberegning til kodning af information.

Den nye undersøgelse udført på UNESP Ilha Solteira avancerede i den retning. "Vores teoretiske undersøgelse fokuserede på molekyler, der består af vidt adskilte atomer. Disse molekyler ville ikke være levedygtige uden for Weyl -konteksten, fordi afstanden mellem atomer forhindrer dem i at danne kovalente bindinger og dermed fra at dele elektroner. Vi demonstrerede, at chiraliteten ved elektronspredning i Weyl halvmetaller fører til dannelse af magnetiske kemiske bindinger, "Fortalte Seridonio.

Eksempler på Weyl -halvmetaller inkluderer tantalarsenid (TaA'er), niobiumarsenid (NbA'er) og tantalphosphid (TaP).

"I disse materialer, Weyl fermioner spiller en analog rolle som elektronernes i grafen. Imidlertid, grafen er et kvasi-2-D system, der henviser til, at disse materialer er fuldstændig 3D, "Sagde Seridonio.

Den teoretiske undersøgelse viste, at Weyl fermioner i disse systemer fremstår som opdelinger i Dirac fermioner, en kategori, der omfatter alle materialepartikler i den såkaldte standardmodel, med mulig undtagelse af neutrinoer.

Disse opdelinger forekommer på punkter, hvor ledningsbåndet (det rum, hvor frie elektroner cirkulerer) berører valensbåndet (det yderste lag af elektroner i atomer).

"Et brud i symmetri gør dette punkt, Dirac -noden, opdelt i et par Weyl -noder med modsatte chiraliteter. I vores undersøgelse, vi brød tidsomvendt symmetri, "Sagde Seridonio.

Tidsomvendt symmetri betyder i det væsentlige, at et system forbliver det samme, hvis tidsstrømmen vendes. "Når denne symmetri er brudt, det resulterende molekyle har spin-polariserede orbitaler. "

I sædvanlige molekylære systemer, spin-up elektroner og spin-down elektroner er jævnt fordelt i elektronskyen. Dette er ikke tilfældet i Weyl -systemer.

"Resultatet er et molekyle, hvor spin-up og spin-down elektronskyer er rumligt forskellige. Denne ejendommelighed kan bruges til at kode information, fordi molekylet kan være forbundet med det binære system, som er bit eller grundlæggende informationsenhed, "Sagde Seridonio.