Midden-infrarode golflengten van licht zijn onzichtbaar voor het oog, maar kunnen nuttig zijn voor een aantal technologieën, inclusief nachtzicht, thermische detectie, en omgevingsmonitoring. Nutsvoorzieningen, een nieuw fenomeen in een onconventioneel metaal, gevonden door natuurkundigen aan het MIT en elders, zou een nieuwe manier kunnen bieden om zeer gevoelige detectoren te maken voor deze ongrijpbare golflengten. Het fenomeen is nauw verwant aan een deeltje dat is voorspeld door hoge-energiefysici, maar nooit is waargenomen.

Natuurkundigen groeperen alle fundamentele deeltjes in de natuur in twee categorieën, fermionen en bosonen, volgens een eigenschap genaamd spin. de fermionen, beurtelings, hebben drie soorten:Dirac, Majorana, en Weyl. Dirac-fermionen omvatten de elektronen in reguliere metalen zoals koper of goud. De andere twee zijn onconventionele deeltjes die aanleiding kunnen geven tot vreemde en fundamenteel nieuwe fysica, die mogelijk kunnen worden gebruikt om efficiëntere circuits en andere apparaten te bouwen.

Het Weyl-fermion werd bijna een eeuw geleden voor het eerst getheoretiseerd door de Duitse natuurkundige Hermann Weyl. Hoewel het bestaan ​​ervan wordt geponeerd als onderdeel van de vergelijkingen die het algemeen aanvaarde standaardmodel van de subatomaire fysica vormen, Weyl-fermionen zijn nooit echt experimenteel waargenomen. De theorie voorspelt dat ze met de snelheid van het licht zouden moeten bewegen, en, tegelijkertijd, draaien om de bewegingsrichting. Ze zijn er in twee varianten, afhankelijk van of hun rotatie rond de bewegingsrichting met de klok mee of tegen de klok in is. Deze eigenschap staat bekend als de handigheid, of chiraliteit, van Weyl-fermionen.

Hoewel Weyl-fermionen nooit direct zijn waargenomen, onderzoekers hebben onlangs een fenomeen waargenomen dat essentiële aspecten van hun theoretische eigenschappen nabootst, in een klasse van onconventionele metalen die bekend staat als Weyl-halfmetalen. Een resterende uitdaging was om de chiraliteit van deze Weyl-fermionen experimenteel te meten, die detectie van de meeste standaard experimentele technieken ontdoken.

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica , een MIT-team was in staat om de chiraliteit van het Weyl-fermion te meten door circulair gepolariseerd licht te gebruiken. Dit werk is gedaan door MIT-postdocs Qiong Ma en Su-Yang Xu; natuurkunde professoren Nuh Gedik, Pablo Jarillo-Herrero, en Patrick Lee; en acht andere onderzoekers van het MIT en andere universiteiten in de VS, China, en Singapore.

specifiek, ontdekten de onderzoekers dat een metaal genaamd tantaalarsenide, of TaAs, "vertoont een interessante opto-elektronische eigenschap genaamd het circulaire fotogalvanische effect, " zegt Gedik, een universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde. conventioneel, elektrische geleiding vereist het aanleggen van een externe spanning over de twee uiteinden van een metaal (zoals koper). Daarentegen, vonden de onderzoekers in dit werk dat, door circulair gepolariseerd licht te schijnen in het midden-infrarode golflengtebereik, de TaAs kan een elektrische stroom produceren zonder externe spanningen toe te passen. Bovendien, de richting van de stroom wordt bepaald door de chiraliteit van Weyl-fermionen en kan worden geschakeld door de lichtpolarisatie van linkshandig naar rechtshandig te veranderen.

De hoeveelheid stroom die op deze manier wordt gegenereerd, blijkt verrassend groot te zijn:10 tot 100 keer sterker dan de respons van andere materialen die worden gebruikt voor het detecteren van dit soort licht. Dit zou het materiaal bruikbaar kunnen maken voor extreem gevoelige lichtdetectoren in dit midden-infrarode deel van het spectrum.

"Ondanks dat het lang geleden werd voorspeld, Weyl-fermionen zijn nooit waargenomen als een fundamenteel deeltje in de deeltjesfysica, " legt Gedik uit. Maar de nieuwe experimenten, hij zegt, hebben aangetoond dat in deze onconventionele metalen, gewone elektronen "kunnen zich op een vreemde manier gedragen, zodat hun beweging het gedrag van Weyl-fermionen nabootst, " en kan een reeks nieuwe eigenschappen vertonen.

Door de jaren sinds de oorspronkelijke hypothese van Weyl, "Veel mensen vermoedden dat neutrino's Weyl-fermionen waren, " zegt Xu. Neutrino's zijn subatomaire deeltjes die met bijna de lichtsnelheid door het universum razen en waarvan lang werd gedacht dat ze helemaal geen massa hadden, net als de geponeerde Weyl-fermionen. Maar dan, toen werd ontdekt dat neurino's inderdaad een kleine maar meetbare massa hadden, die mogelijkheid werd uitgesloten, en werkelijke Weyl-fermionen zijn nog steeds nooit waargenomen. "Maar de manier waarop het gedrag van elektronen in halfmetalen zoals TaAs nauw aansluit bij wat werd voorspeld voor Weyl-fermionen, ondersteunt de oorspronkelijke theorie van Weyl, "zegt mama.

Elektronen "kunnen zich gedragen als Weyl-fermionen in die metalen, ' zegt ma. 'Ze komen altijd in paren die altijd een tegengestelde chiraliteit hebben.'

Terwijl anderen een deel van het ongewone gedrag van elektronen in deze materialen hadden waargenomen, niemand had eerder het belangrijkste aspect van de Weyl-fermionen kunnen onderzoeken, namelijk hun links- of rechtshandige spin. Maar in dit onderzoek "We hebben een manier bedacht om de chiraliteit te meten, "Xu zegt, door circulair gepolariseerd licht te gebruiken om de elektrische stroom te activeren, en laten zien dat tegengestelde lichtpolarisaties ervoor zorgden dat de stroom in tegengestelde richtingen bewoog. Door de stroom te meten met behulp van elektroden die aan het materiaal zijn bevestigd voor verschillende lichtpolarisaties, ze waren in staat om de chiraliteit af te leiden van Weyl-fermionen die verantwoordelijk zijn voor deze stroom.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.