Een bepaald soort elementair deeltje, de Weyl-fermionen, werden een paar jaar geleden voor het eerst ontdekt. Hun specialiteit:ze bewegen zich geordend door een materiaal dat ze praktisch nooit met elkaar laten botsen en zijn dus zeer energiezuinig. Dit opent intrigerende mogelijkheden voor de elektronica van de toekomst. Tot nu toe, Weylfermionen waren alleen gevonden in bepaalde niet-magnetische materialen. Nu echter, voor de allereerste keer, wetenschappers van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben hun bestaan ​​experimenteel bewezen in een ander type materiaal:een paramagneet met intrinsieke langzame magnetische fluctuaties. Deze bevinding laat ook zien dat het mogelijk is om de Weyl-fermionen te manipuleren met kleine magnetische velden, mogelijk hun gebruik in spintronica mogelijk maken, een veelbelovende ontwikkeling in elektronica voor nieuwe computertechnologie. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Een van de benaderingen die de weg zouden kunnen effenen voor de energiezuinige elektronica van de toekomst, Weylfermionen zouden een intrigerende rol kunnen spelen. Alleen experimenteel gevonden in materialen als zogenaamde quasi-deeltjes, ze gedragen zich als deeltjes die geen massa hebben. Theoretisch voorspeld in 1929 door de wiskundige Hermann Weyl, hun experimentele ontdekking door wetenschappers van PSI kwam pas in 2015. Tot nu toe, Weyl-fermionen waren alleen waargenomen in bepaalde niet-magnetische materialen. Nu echter, een team van wetenschappers bij PSI samen met onderzoekers in de VS, China, Duitsland en Oostenrijk vonden ze ook in een specifiek paramagnetisch materiaal. Deze ontdekking zou een mogelijk gebruik van Weyl-fermionen in toekomstige computertechnologie een stap dichterbij kunnen brengen.

Zoeken naar langzame magnetische fluctuaties

"Het moeilijke deel, " zegt Junzhang Ma, postdoctoraal onderzoeker bij PSI en eerste auteur van de nieuwe studie, "was om een ​​geschikt magnetisch materiaal te identificeren om naar deze Weyl-fermionen te zoeken." Voor jaren, hoewel de geaccepteerde theoretische veronderstelling was geweest dat in bepaalde magnetische materialen Weyl-fermionen op zichzelf zouden kunnen bestaan, experimenteel bewijs hiervoor ontbrak nog steeds ondanks aanzienlijke inspanningen van verschillende onderzoeksgroepen wereldwijd. Het team van wetenschappers van PSI kwam toen op het idee om hun aandacht te richten op een specifieke groep magnetische materialen:paramagneten met langzame magnetische fluctuaties.

"In specifieke paramagnetische materialen, deze intrinsieke magnetische fluctuaties zouden kunnen volstaan ​​om een ​​paar Weyl-fermionen te creëren, " zegt Ming Shi, die professor is in dezelfde onderzoeksgroep als Ma:de Spectroscopie van Novel Materials Group. "Maar we begrepen dat de fluctuaties langzaam genoeg moesten zijn om de Weyl-fermionen te laten verschijnen. Vanaf dit punt, het identificeren van welk materiaal voldoende langzame magnetische fluctuaties zou kunnen hebben, werd onze belangrijkste uitdaging."

Aangezien de karakteristieke tijd van de magnetische fluctuaties niet een kenmerk is dat voor elk materiaal in een naslagwerk kan worden gecontroleerd, het kostte de onderzoekers enige tijd en moeite om geschikt materiaal voor hun experiment te vinden. Modelanalyse in theoretische natuurkunde, ook uitgevoerd bij PSI, hielp hen bij het identificeren van een veelbelovende kandidaat met langzame magnetische fluctuaties:het materiaal met de chemische notatie EuCd ₂ Als ₂ :Europium-Cadmium-Arseen. En inderdaad, in dit paramagnetische materiaal, de wetenschappers waren in staat om Weyl-fermionen experimenteel te bewijzen.

Metingen met muonen en röntgenstralen

De wetenschappers gebruikten twee van de grote onderzoeksfaciliteiten van PSI voor hun experimenten:ze gebruikten de Zwitserse Muon Source (SμS) om de magnetische fluctuaties van hun materiaal te meten en beter te karakteriseren. Vervolgens, ze visualiseerden de Weyl-fermionen met een röntgenspectroscopiemethode bij de Swiss Light Source SLS.

"Wat we hier hebben bewezen, is dat Weyl-fermionen in een breder scala aan materialen kunnen voorkomen dan eerder werd gedacht, ", zegt Junzhang Ma. Het onderzoek van de wetenschappers verbreedt dus aanzienlijk het scala aan materialen die als levensvatbaar worden beschouwd in de zoektocht naar materialen die geschikt zijn voor de elektronica van de toekomst. Binnen een ontwikkelingsgebied dat spintronica wordt genoemd, Weyl-fermionen zouden kunnen worden gebruikt om informatie te transporteren met een veel hogere efficiëntie dan die wordt bereikt door elektronen in de huidige technologie.