Quasideeltjes die zich gedragen als massaloze fermionen, bekend als Weyl-fermionen, hebben de afgelopen jaren centraal gestaan ​​in een reeks opwindende bevindingen in de fysica van de gecondenseerde materie. De groep van natuurkundige Sebastian Huber van ETH Zürich rapporteert nu experimenten waarin ze greep kregen op een van de bepalende eigenschappen van Weyl-fermionen:hun chiraliteit.

"In mijn werk, Ik heb altijd geprobeerd het ware met het mooie te verenigen; toen ik moest beslissen voor een van hen, Ik heb altijd gekozen voor wat mooi was." Dit citaat siert de muur van een nis in de Hermann Weyl-kamer in het hoofdgebouw van ETH Zürich, achter een sculptuur van de Duitse wiskundige, natuurkundige en filosoof Hermann Weyl, die van 1913 tot 1930 hoogleraar hogere wiskunde was aan de ETH.

Gedurende die tijd, Weyl produceerde een relativistische golfvergelijking voor het beschrijven van massaloze spin-1/2 deeltjes, die nu bekend staan ​​als Weyl-fermionen. Vandaag verslag doen in het journaal Natuurfysica , Valerio Peri en zijn collega Marc Serra-Garcia in de groep van Sebastian Huber aan het Instituut voor Theoretische Fysica van ETH Zürich, samen met Roni Ilan van de Universiteit van Tel-Aviv (Israël), rapporteren een experimenteel onderzoek waarin ze een intrigerend en conceptueel verreikend kenmerk van Weyls aloude theorie hebben waargenomen:een mogelijk achtergrondveld dat op een andere manier koppelt aan Weyl-fermionen van tegengestelde chiraliteit.

Massaloze fermionen zijn nog nooit in de natuur waargenomen. Vandaag, we weten dat Weyl-fermionen ontstaan ​​als collectieve excitaties, zogenaamde quasideeltjes, in veellichamensystemen. Dit is in 2015 experimenteel gerealiseerd in een kristallijn materiaal, waarin Weyl-fermionen verschijnen als specifieke punten in de elektronische bandstructuur. Van dergelijke Weyl-punten is ook aangetoond dat ze bestaan ​​in gemanipuleerde periodieke structuren die interageren met klassieke golven, in het bijzonder met elektromagnetische golven (in fotonische kristallen) en met akoestische golven (in fononische kristallen). Peri en collega's adopteerden een fonetisch platform, bestaande uit 4800 zorgvuldig ontworpen, 3D-geprinte eenheidscellen gerangschikt in een 3D-structuur (hierboven afgebeeld), waarin ze interageren met geluidsgolven in de lucht.

Dergelijke akoestische metamaterialen staan ​​bekend als geschikte platforms om Weyl-fysica te verkennen, maar de ETH-onderzoekers voegden een belangrijke draai aan het verhaal toe. Ze ontwierpen een achtergrondveld dat interageert met de Weyl-fermionen op een manier die vergelijkbaar is met hoe een magnetisch veld interageert met elektronische excitaties in een kristal. Omdat geluidsgolven geen lading dragen, en zijn daarom inert voor magnetische velden, Peri et al. moesten andere middelen vinden om de quasideeltjes in hun systeem te manipuleren. Ze deden dit door de geometrie van de eenheidscellen enigszins te variëren, zodanig dat de ruimtelijke locatie waarop de Weyl-punten verschijnen (in de momentumruimte) gedurende het monster varieerde. Deze aanpassing zorgt ervoor dat hun akoestische systeem zich gedraagt ​​als een elektronisch systeem dat is ondergedompeld in een magnetisch veld - met een belangrijk verschil. Ze ontwierpen het achtergrondveld zodanig dat het anders koppelt aan de twee soorten Weyl-fermionen:die met intrinsiek impulsmoment (spin) parallel uitgelijnd met hun lineaire impuls, en die met anti-parallelle uitlijning. Met andere woorden, het veld koppelt anders aan deeltjes, afhankelijk van hun chiraliteit.

De realisatie van een achtergrondveld dat chiraliteit onderscheidt, is een belangrijke stap, omdat het de kern raakt van waarom de Weyl-fermionen zo opwindend zijn in de deeltjesfysica. Wanneer fermionen van verschillende chiraliteit onafhankelijk van elkaar kunnen worden gemanipuleerd, dan kunnen klassieke behoudswetten op kwantumniveau worden doorbroken. Bijvoorbeeld, de lading voor fermionen van een bepaalde chiraliteit is niet behouden. Dergelijk gedrag geeft aanleiding tot de zogenaamde chirale anomalie, wat op zijn beurt de sleutel zou kunnen zijn tot het begrijpen van centrale kenmerken van het standaardmodel van deeltjesfysica.

Peri en collega's hebben nu het bestaan ​​van verschillende chirale kanalen aangetoond, waardoor ze onafhankelijke toegang tot Weyl-fermionen van tegengestelde chiraliteit in een bulksysteem. (Verwante resultaten zijn eerder gerapporteerd voor elektronische systemen in twee dimensies.) Het realiseren van dergelijk gedrag dat diep geworteld is in de theorie van hoge-energiefysica met lage-energetische geluidsgolven die interageren met een systeem van gecondenseerde materie, belooft een veelzijdig platform voor het verder onderzoeken van fenomenen gerelateerd aan Weyl-fermionen die theoretisch zijn voorspeld, en verdere stappen te ondernemen om dergelijk gedrag op technologische gebieden te exploiteren, variërend van akoestiek tot elektronica - zonder de onderliggende schoonheid uit het oog te verliezen die Hermann Weyl leidde.