Onderzoekers van de afdeling Theorie van de MPSD in Hamburg en de North Carolina State University in de VS hebben aangetoond dat de lang gezochte magnetische Weyl semi-metallische toestand kan worden geïnduceerd door ultrasnelle laserpulsen in een driedimensionale klasse van magnetische materialen genaamd pyrochlooriridaten . hun resultaten, die zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie , kan high-speed magneto-optische topologische schakelapparatuur voor de volgende generatie elektronica mogelijk maken.

Alle bekende elementaire deeltjes kunnen in twee categorieën worden ingedeeld:bosonen en fermionen. Bosonen dragen krachten zoals de magnetische kracht of zwaartekracht, terwijl fermionen de materiedeeltjes zijn, zoals elektronen. Theoretisch werd voorspeld dat fermionen zelf in drie soorten kunnen voorkomen, vernoemd naar de natuurkundigen Dirac, Weyl en Majorana.

Elektronen in de vrije ruimte zijn Dirac-fermionen, maar in vaste stoffen, ze kunnen hun aard veranderen. In het atomair dunne koolstofmateriaal grafeen, ze worden massaloze Dirac-fermionen. In andere recent ontdekte en vervaardigde materialen, ze kunnen ook Weyl- en Majorana-fermionen worden, wat dergelijke materialen interessant maakt voor toekomstige technologieën zoals topologische kwantumcomputers en andere nieuwe elektronische apparaten.

In combinatie met een golf van bosonen, namelijk fotonen in een laser, fermionen kunnen van het ene type naar het andere worden omgezet, zoals voorgesteld door MPSD-theoretici in 2016. Nu, een nieuwe studie onder leiding van Ph.D. student Gabriel Topp in de Emmy Noether-groep van Michael Sentef suggereert dat elektronenspins kunnen worden gemanipuleerd door korte lichtpulsen om een ​​magnetische versie van Weyl-fermionen te creëren uit een magnetische isolator. Op basis van een eerdere studie onder leiding van MPSD-postdoctoraal onderzoeker Nicolas Tancogne-Déjean en Theory Director Angel Rubio, de wetenschappers gebruikten het idee van lasergestuurde elektron-elektronenafstoting om magnetisme te onderdrukken in een pyrochlooriridaatmateriaal waar elektronenspins op een rooster van tetraëders zijn geplaatst.

Op dit rooster, elektronen spins, als kleine kompasnaalden, wijs all-in naar het midden van de tetraëder en all-out in de aangrenzende. Deze all-in, allesomvattende combinatie, samen met de lengte van de kompasnaalden, leidt tot isolerend gedrag in het materiaal zonder lichtstimulatie. Echter, moderne computersimulaties op grote computerclusters onthulden dat wanneer een korte lichtpuls het materiaal raakt, de naalden beginnen zo te draaien dat, gemiddeld, ze zien eruit als kortere naalden met minder sterke magnetische ordening. Op de juiste manier gedaan, deze vermindering van magnetisme leidt ertoe dat het materiaal semi-metaalachtig wordt, waarbij Weyl-fermionen naar voren komen als de nieuwe dragers van elektriciteit erin.

"Dit is echt een mooie stap voorwaarts om te leren hoe licht materialen kan manipuleren op ultrakorte tijdschalen, " zegt Michael Sentef. Gabriel Topp zegt, "We waren verrast door het feit dat zelfs een te sterke laserpuls die zou moeten leiden tot een volledige onderdrukking van magnetisme en een standaardmetaal zonder Weyl-fermionen kan leiden tot een Weyl-toestand. Dit komt omdat op zeer korte tijdschalen, het materiaal heeft niet genoeg tijd om een ​​thermisch evenwicht te vinden. Als alles heen en weer schudt, het duurt even voordat de extra energie van de laserpuls gelijkmatig is verdeeld over alle deeltjes in het materiaal."

De wetenschappers zijn optimistisch dat hun werk meer theoretisch en experimenteel werk in deze richting zal stimuleren. "We staan ​​nog maar aan het begin van het leren begrijpen van de vele mooie manieren waarop licht en materie kunnen combineren om fantastische effecten te produceren en we weten niet eens wat ze vandaag de dag zouden kunnen zijn, ", zegt Angel Rubio. "We werken heel hard met een toegewijde en zeer gemotiveerde groep getalenteerde jonge wetenschappers aan de MPSD om deze bijna onbeperkte mogelijkheden te verkennen, zodat de samenleving profiteert van onze ontdekkingen."