Het bestuderen van eigenschappen van fundamentele deeltjes in systemen van gecondenseerde materie is een veelbelovende benadering van de kwantumveldentheorie. Quasideeltjes bieden de mogelijkheid om deeltjeseigenschappen waar te nemen die geen realisatie hebben in elementaire deeltjes. In de huidige studie, een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Angel Rubio van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter bij CFEL in Hamburg en de Universiteit van Baskenland in Donostia-San Sebastián voorspelde hoe laserlicht kan worden gebruikt om Weyl-fermiontoestanden te creëren in 3 -D Dirac-materialen en om te schakelen tussen Weyl-halfmetaal, Dirac halfmetaal en topologische isolatortoestanden op ultrasnelle tijdschalen. Naast de relevantie voor fundamentele kwantumfysica, de resultaten kunnen leiden tot toepassingen in ultrasnelle omschakeling van materiaaleigenschappen. De bevindingen worden online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie vandaag.

In het standaardmodel van de deeltjesfysica, de fundamentele deeltjes waaruit alle materie om ons heen bestaat – elektronen en quarks – zijn zogenaamde fermionen, genoemd naar de beroemde Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi. De kwantumtheorie voorspelt dat elementaire fermionen in drie verschillende soorten kunnen bestaan:Dirac, Weyl, en Majorana-fermionen, vernoemd naar Paul Dirac, Herman Weyl, en Ettore Majorana. Echter, ondanks dat het bijna honderd jaar geleden werd voorspeld, van deze drie soorten deeltjes zijn tot nu toe alleen Dirac-fermionen waargenomen als elementaire deeltjes in de natuur. Met de ontdekking van grafeen in 2004, echter, men realiseerde zich dat het gedrag van relativistische vrije deeltjes kon worden waargenomen in de elektronische eigenschappen van materialen. Dit leidde tot de zoektocht naar materialen waar deze fundamentele deeltjes konden worden waargenomen en pas vorig jaar werden de eerste materialen ontdekt die Weyl-fermionen bevatten. Hoewel elk bekend materiaal slechts één soort van deze fermionen herbergt in zijn evenwichtstoestand, in het huidige werk wordt gedemonstreerd hoe men de fermionaard binnen specifieke materialen kan transformeren door gebruik te maken van op maat gemaakte lichtpulsen.

Eerste waarneming van Dirac-fermionen in grafeen

De waarneming van Dirac-fermionen in de eigenschappen van grafeen komt voort uit een complexe interactie van het grote aantal elektronen en ionen waaruit het materiaal bestaat. Hoewel elk afzonderlijk elektron via elektrostatische krachten interageert met zijn omringende ionen en elektronen, het specifieke patroon van koolstofionen in de honingraatlaagstructuur van grafeen zorgt ervoor dat de elektronen zich collectief gedragen als massaloos, vrije fermionen – Dirac-fermionen. Deze deeltjes die samen nieuwe deeltjes met verschillende eigenschappen vormen, worden quasideeltjes genoemd. De jacht op andere materialen die quasideeltjes bevatten die zich gedragen als fundamentele deeltjes, heeft zich tot dusver gericht op de kristalstructuur van materialen.

Lasergestuurde topologische toestanden creëren

Het is nu gevonden, echter, dat door een materiaal te bestralen met een laser, het is ook mogelijk om een ​​quasideeltje te combineren met de fotonen van het laserveld om een ​​nieuw quasideeltje te vormen dat, opnieuw, kan zich fundamenteel anders gedragen. Vooral, de koppeling aan fotonen kan de topologie van quasideeltjes beïnvloeden. Topologie is een eigenschap van de deeltjes die leidt tot bijzondere eigenschappen, bijvoorbeeld metalen chirale randtoestanden die een botsingloze eenrichtings-kwantumsnelweg vormen langs de rand van een topologische isolator. Deze chiraliteit, of handigheid, is topologisch in die zin dat rechtshandige en linkshandige chiraliteiten discrete toestanden zijn die niet continu in elkaar kunnen worden vervormd. De Nobelprijs voor de Natuurkunde 2016 is zojuist toegekend aan Michael Kosterlitz, Duncan Haldane, en David Thouless voor de ontdekking van dergelijke topologische fasen van materie.

Dirac- en Weyl-fermionen verschillen door hun chiraliteit. Net als onze linker- en rechterhand, Weylfermionen komen in paren voor, waarbij het ene deeltje een gespiegelde versie van het andere is. De twee partners zijn bijna identiek, toch kunnen ze niet over elkaar heen worden gelegd. Dirac-fermionen, daarentegen, hebben deze eigenschap niet.

Een benadering om chiraliteit in een materiaal te creëren, is het met een laserstraal aan te drijven. "Ongeveer tien jaar geleden werd ons gerealiseerd dat de zogenaamde Floquet-theorie - een theorie voor lasergestuurde systemen die periodiek in de tijd oscilleren - ons in staat stelt parameters en symmetrieën in materialen te ontwikkelen die hun topologie kunnen veranderen, " legt Michael Sentef uit, Emmy Noether groepsleider bij de MPSD in Hamburg. Het induceren van chiraliteit in een Dirac-fermionmateriaal door die fermionen te combineren met fotonen uit de laserstraal om nieuwe quasideeltjes te vormen, kan het dus transformeren in een Weyl-fermionmateriaal.

In het huidige werk, het team rond Angel Rubio gebruikte computersimulaties van materiaaleigenschappen op hoog niveau om te laten zien hoe deze optische transformatie van Dirac-fermionen naar Weyl-fermionen kan worden bereikt in een echt materiaal - Na ₃ Bi. Dit materiaal is een zogenaamd driedimensionaal Dirac-halfmetaal. Het bestaat uit lagen natrium- en bismutatomen die samen een driedimensionaal equivalent van grafeen vormen. Deze driedimensionaliteit is nodig om de transformatie van Dirac in Weyl-fermionen te laten plaatsvinden. Het kan niet gebeuren in een tweedimensionaal vel grafeen.

"De cruciale uitdaging in dit werk was om de ideeën van de Floquet-theorie en topologie van het conceptuele niveau van modelsystemen naar de wereld van echte materialen te brengen en aan te tonen dat dergelijke niet-evenwichtige topologische faseovergangen kunnen worden gerealiseerd in een materiaalwetenschappelijke context, " zegt Hannes Hübener, Marie Curie-fellow aan de Universiteit van Baskenland in San Sebastián en hoofdauteur van het werk.

Van topologische stabiliteit tot ultrasnelle elektronica

Vooral, de auteurs zouden kunnen laten zien hoe topologische bescherming van de handigheid van Weyl-fermionen ontstaat en robuuster kan worden gemaakt naarmate het laserveld sterker is. "We realiseerden ons in onze simulaties dat toen we het veld opkrikten, de twee verschillende rechts- en linkshandige Weyl-fermionen bewogen verder uit elkaar in de zogenaamde momentumruimte, waarin quasideeltjes leven, ", zegt Sentef. "Omdat rechts- en linkshandige deeltjes antideeltjes van elkaar zijn, ze moeten samenkomen om elkaar te vernietigen. De scheiding beschermt hen dus tegen vernietiging, wat betekent dat we topologische stabiliteit van deze quasideeltjes bereiken."

De theoretische resultaten suggereren dat experimentatoren in staat zouden moeten zijn om de transformatie tussen Dirac- en Weyl-fermionen te meten in ultrasnelle laserexperimenten. Een manier om dit te doen is door het foto-elektrisch effect te gebruiken om elektronen uit het lasergestuurde materiaal te werpen. een techniek genaamd pomp-sonde foto-emissie spectroscopie, die beschikbaar is bij het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter onder Otto-Hahn groepsleider Isabella Gierz en directeur Andrea Cavalleri.

Engel Rubio, Directeur van de afdeling MPSD Theorie, voegt toe:"Dit werk opent spannende nieuwe wegen om de eigenschappen van materialen en moleculen te manipuleren met behulp van fundamentele licht-materie-interactie. Het maakt de weg vrij om uiteindelijk hun gedrag op nanoschaal en met ultrasnelle schakelcycli te beheersen." De wetenschappers hopen zelfs dat er een manier is om de door licht geïnduceerde toestanden voor langere tijd te stabiliseren, terwijl ze de mogelijkheid behouden om ze te schakelen op terahertz of zelfs snellere frequenties. Dit kan in de toekomst mogelijk nieuwe ultrasnelle elektronica voor supersnelle computers mogelijk maken.