Fysiker observerer den første uparrede Weyl magnetiske monopol

Svarende til en magnet, der altid har både syd- og nordpoler, en slags specielle kvasipartikler i kondenseret stof kaldet "Weyl Fermions" optræder altid i par med modsat chiralitet. Der havde ikke været nogen eksperimentel rapport om, at uparrede Weyl-punkter eksisterer i kondenseret stof indtil for nylig, en fysiker fra City University of Hong Kong (CityU) observerede den første uparrede ental Weyl magnetiske monopol i en specifik slags enkeltkrystallinsk fast stof.

Forskningsarbejdet blev ledet af Dr. Ma Junzhang, Adjunkt ved Institut for Fysik ved CityU og samarbejdende videnskabsmænd fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) og Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz. Den blev udgivet i Naturkommunikation , med titlen "Observation af et enestående Weyl-punkt omgivet af ladede nodalvægge i PtGa."

"Vores gruppe er den første til at se og registrere en uparret Weyl magnetisk monopol i eksperimentet. Resultaterne åbner en ny vej til at søge efter de bulk topologiske egenskaber af uparrede Weyl magnetiske monopoler i faste stoffer, som vil fremme forståelsen af ​​grundlæggende topologisk fysik, og anvendelsen af ​​Weyl-halvmetaller i spintronik, " sagde Dr. Ma.

Weyl-punkter:lignende egenskaber med magnetiske monopoler

I den virkelige verden, en magnet skal have syd- og nordpoler samtidigt. Moderne fysik teorier antyder eksistensen af ​​en magnetisk monopol, dvs. en kvanteelementær magnetenhed med kun én pol. Men indtil videre, der har ikke været kendte eksperimentelle eller observationsbeviser for, at der eksisterer magnetiske monopoler. At søge efter magnetisk monopol har været en drøm for det moderne fysiksamfund.

Tilsvarende Weylpunkter i kondenseret stof (inklusive semimetallisk krystal) har de samme egenskaber som de magnetiske monopoler. "Derfor, Weyl-punkter i kondenseret stof kaldes også Weyl magnetiske monopoler, " forklarede Dr. Ma.

Men der er én forskel for Weyl-point, baseret på mange fysikeres opfattelser. Det er en udbredt opfattelse, at eksistensen af ​​en uparret Weyl magnetisk monopol i faste stoffer er umulig på grund af den velkendte Nielsen-Ninomiya no-go-sætning. Som resultat, det menes, at Weyl magnetiske monopoler i halvmetaller altid bør optræde i par med modsatte ladninger i 3D-momentumrummet. Og projektionerne af monopolerne på overfladen af ​​den enkelte krystal bør altid være forbundet med en slags ledende tilstand kaldet Fermi-buer, som fungerer som en elektronisk kanal, som elektroner kan transportere gennem den.

Ingen succesfuld eksperimentel præcedens

Betydelige teoretiske bestræbelser er blevet dedikeret til at søge uparrede Weyl-monopoler ud over dette no-go-teorem, men der blev ikke rapporteret om noget vellykket eksperiment tidligere. Mange videnskabsmænd troede, at en sådan form for "uparret stof" var svært at eksistere i enkeltkrystallinske faste stoffer.

Men det mente Dr. Ma ikke. Han søgte i tusindvis af forbindelser i databasen og opdagede til sidst, at et par snesevis af dem er de potentielle kandidater, der er vært for uparrede Weyl-monopoler. Hans forslag blev støttet af teoretiske kolleger Dr. Wu Quansheng, og professor Oleg Yazyev fra EPFL. Efter det, et hold ledet af Dr. Ma og professor Shi Ming fra PSI startede en række fotoemissionseksperimenter ved den schweiziske lyskilde ved PSI og beviste med succes de primære ideer.

Ved at kombinere vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) eksperimenter med tæthedsfunktionelle teoriberegninger, forskerholdet afslørede for første gang, at uparrede Weyl-monopoler kan opstå i forskellige forbindelser. Ved at studere den lovende kandidat, semimetallisk krystal platin gallium (PtGa), forskerholdet identificerede 37 Weyl-monopoler i momentumrummet, og fandt ud af, at systemet er vært for ulige nummer 37 Weyl-punkter med enten +1 ladning eller -1 ladning, der forhindrer dem i at parre sig.

De demonstrerede også eksperimentelt for første gang, at uparret magnetisk monopol kan eksistere i momentumrummet af fast stof uden overflade Fermi-bue. Geometrien af ​​det uparrede Weyl-punkt er helt anderledes end normale Weyl-halvmetallers geometri, så egenskaberne forventes at ændre sig væsentligt i denne nye slags materialer, som definerer en ny studieretning.

En ny forskningsretning

Dr. Ma mener, at den banebrydende opdagelse af uparret Weyl magnetisk monopol kan give ny indsigt i den grundlæggende fysik af Weyl magnetisk monopol i kondenseret stof. Og de særlige egenskaber ved Weyl magnetiske monopol, høj elektronisk mobilitet, særlig reaktion på et eksternt magnetfelt og lav varmehastighed, kan gøre det til en god kandidat til spintroniske computerenheder som kvantedatabehandling og neuromorfisk databehandling i fremtiden.