Op de TU Wien onlangs, deeltjes die bekend staan ​​als 'Weyl-fermionen' werden ontdekt in materialen met een sterke interactie tussen elektronen. Net als lichte deeltjes, ze hebben geen massa, maar toch bewegen ze extreem langzaam.

In 2015 was er veel enthousiasme toen het voor het eerst mogelijk was om deze 'Weyl-fermionen' te meten - bizar, massaloze deeltjes die bijna 90 jaar eerder door de Duitse wiskundige waren voorspeld, arts en filosoof, Herman Weyl. Nutsvoorzieningen, alweer, er is een doorbraak op dit gebied van onderzoek, waarbij onderzoekers van de TU Wien de eersten zijn die met succes Weyl-deeltjes detecteren in sterk gecorreleerde elektronensystemen - dat wil zeggen, materialen waar de elektronen een sterke interactie met elkaar hebben. Bij dit soort materialen de Weyl-deeltjes bewegen extreem langzaam, ondanks dat je geen massa hebt. De ontdekking zou nu de deur moeten openen naar een geheel nieuw gebied van de natuurkunde, en maken tot nu toe onvoorstelbare materieel-fysieke effecten mogelijk.

Quasideeltjes:alleen mogelijk in vaste toestand

Nadat arts Paul Dirac in 1928 tot zijn Dirac-vergelijking was gekomen, die kan worden gebruikt om het gedrag van relativistische elektronen te beschrijven, Hermann Weyl vond een specifieke oplossing voor deze vergelijking, namelijk voor deeltjes met massa nul, of 'Weyl-fermionen'. Oorspronkelijk werd gedacht dat het neutrino zo'n massaloos Weyl-deeltje was, totdat werd ontdekt dat het inderdaad massa heeft. De mysterieuze Weyl-fermionen waren, in feite, voor het eerst gedetecteerd in 2015; het bleken geen vrije deeltjes te zijn zoals het neutrino, die zich onafhankelijk van de rest van de wereld door het heelal kan bewegen, maar eerder 'quasideeltjes' in vaste toestand.

"Quasideeltjes zijn geen deeltjes in de conventionele zin, maar eerder excitaties van een systeem dat bestaat uit veel interagerende deeltjes, " legt prof. Silke Bühler-Paschen van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien uit. In zekere zin, ze zijn vergelijkbaar met een golf in water. De golf is geen watermolecuul, het is eerder gebaseerd op de beweging van vele moleculen. Als de golf naar voren beweegt, dit betekent niet dat de deeltjes in het water met die snelheid bewegen. Het zijn niet de watermoleculen zelf, maar hun opwinding in golfvorm die zich verspreidt.

Echter, hoewel de quasideeltjes in vaste toestand het resultaat zijn van een samenspel tussen vele deeltjes, vanuit een wiskundig perspectief kunnen ze op dezelfde manier worden beschreven als een vrij deeltje in een vacuüm.

Een "lichtsnelheid" van slechts 100 m/s

Het opmerkelijke aan het experiment, uitgevoerd door Sami Dzsaber en andere leden van de onderzoeksgroep voor kwantummaterialen onder leiding van Silke Bühler-Paschen aan de TU Wien, is het feit dat de Weyl-deeltjes werden ontdekt in een sterk gecorreleerd elektronensysteem. Dit type materiaal is van bijzonder belang voor de vastestoffysica:hun elektronen kunnen niet als los van elkaar worden beschreven; ze zijn sterk met elkaar verbonden en juist dit geeft ze buitengewone eigenschappen, van supergeleiding bij hoge temperatuur tot nieuwe soorten faseovergangen.

"De sterke interacties in dergelijke materialen leiden meestal, via het zogenaamde Kondo-effect, deeltjes die zich gedragen alsof ze een extreem grote massa hebben, " legt Sami Dzsaber uit. "Dus het was verbazingwekkend voor ons om Weyl-fermionen met een massa van nul in dit specifieke type materiaal te detecteren." Volgens de relativiteitswetten, vrije massaloze deeltjes moeten zich altijd met lichtsnelheid verspreiden. Dit is, echter, niet het geval in vaste toestanden:"Ook al hebben onze Weyl-fermionen geen massa, hun snelheid is extreem laag, " zegt Bühler-Paschen. De vaste stof geeft ze tot op zekere hoogte een eigen vaste 'lichtsnelheid'. Dit is lager dan 1000 m/s, d.w.z. slechts ongeveer drie miljoenste van de lichtsnelheid in een vacuüm. "Als zodanig, ze zijn zelfs langzamer dan fononen, de analoog van de watergolf in de vaste toestand, en dit maakt ze detecteerbaar in ons experiment."

Op zoek naar nieuwe effecten

Op hetzelfde moment dat deze metingen werden gedaan aan de TU Wien, onder leiding van Qimiao Si aan de Rice University in Texas – Bühler-Paschen was daar destijds gasthoogleraar – werd onder leiding van Qimiao Si theoretisch onderzoek gedaan naar de vraag hoe deze Weyl-fermionen zelfs in sterk gecorreleerd materiaal konden voorkomen. Deze combinatie van experiment en theorie leverde zo een sluitend beeld op van het nieuwe effect, waarmee nu nieuw onderzoek kan worden gedaan.

De nieuw ontdekte quasideeltjes zijn om een ​​aantal redenen interessant:"Zelfs als Weyl-fermionen aanvankelijk in andere materialen werden gevonden, het is veel gemakkelijker om het effect in onze sterk gecorreleerde materialen te controleren, " zegt Silke Bühler-Paschen. "Door hun lage energie, met parameters als druk of een extern magnetisch veld zijn ze aanzienlijk makkelijker te beïnvloeden.” Hierdoor kunnen de Weyl-fermionen ook voor technologische toepassingen worden ingezet.

De Weyl-fermionen worden slechts in minimale mate in het materiaal gedispergeerd, wat betekent dat ze elektrische stroom bijna zonder verlies kunnen geleiden - dit is van groot belang voor elektronica. Ze zijn waarschijnlijk ook zeer interessant op het gebied van spintronica, een vooruitgang in de elektronica waarbij niet alleen de elektrische lading van de deeltjes maar ook hun spin wordt gebruikt. Weyl-fermionen zullen hier interessant zijn vanwege hun bijzonder robuuste spin. Het deeltje zou ook bijzonder geschikt moeten zijn voor gebruik in kwantumcomputers. "Dit is een heel spannende ontwikkeling, ", zegt Bühler-Paschen.