In een studie gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , een groep onderzoekers verbonden aan de São Paulo State University (UNESP) in Brazilië beschrijft een belangrijke theoretische bevinding die kan bijdragen aan de ontwikkeling van quantum computing en spintronica (spin-elektronica), een opkomende technologie die elektronenspin of impulsmoment gebruikt in plaats van elektronenlading om sneller te bouwen, efficiëntere apparaten.

De studie werd ondersteund door de São Paulo Research Foundation-FAPESP. De hoofdonderzoeker was Antonio Carlos Seridonio, een professor in UNESP's Department of Physics and Chemistry aan Ilha Solteira, São Paulo staat. Zijn afgestudeerde studenten Yuri Marques, Willian Mizobata en Renan Oliveira deden ook mee.

De onderzoekers merkten op dat moleculen met het vermogen om informatie te coderen worden geproduceerd in systemen die Weyl-halfmetalen worden genoemd wanneer de tijdomkeringssymmetrie wordt verbroken.

Deze systemen kunnen worden beschouwd als driedimensionale versies van grafeen en worden geassocieerd met zeer eigenaardige soorten objecten die Weyl-fermionen worden genoemd. Deze zijn massaloos, quasi-relativistisch, chirale deeltjes - quasi-relativistisch omdat ze op dezelfde manier bewegen als fotonen (de fundamentele "deeltjes" van licht) en zich gedragen alsof ze relativistisch zijn, contractieruimte en dilatatietijd.

De term "chiraal" is van toepassing op een object dat niet op zijn spiegelbeeld kan worden geplaatst. Een bol is achiraal, maar onze linker- en rechterhand zijn chiraal. In het geval van Weyl-fermionen, chiraliteit zorgt ervoor dat ze zich gedragen als magnetische monopolen, in tegenstelling tot alle magnetische objecten in de triviale wereld, die zich als dipolen gedragen.

Weyl-fermionen werden in 1929 voorgesteld door de Duitse wiskundige, natuurkundige en filosoof Hermann Weyl (1885-1955) als mogelijke oplossing voor de vergelijking van Dirac. Geformuleerd door de Britse theoretisch natuurkundige Paul Dirac (1902-1984), deze vergelijking combineert principes van kwantummechanica en speciale relativiteit om het gedrag van elektronen te beschrijven, quarks en andere objecten.

Weyl-fermionen zijn hypothetische entiteiten en zijn nooit vrij in de natuur waargenomen, maar studies uitgevoerd in 2015 toonden aan dat ze de basis kunnen zijn voor het verklaren van bepaalde verschijnselen.

Net als bij Majorana-fermionen, die ook de vergelijking van Dirac oplossen, Weyl-fermionen manifesteren zich als quasi-deeltjes in moleculaire systemen van gecondenseerde materie.

Dit veld, waarin hoge-energiefysica en gecondenseerde materie samenkomen, grote onderzoeksinspanningen heeft gemobiliseerd, niet alleen vanwege de mogelijkheden die het biedt voor de ontwikkeling van basiswetenschap, maar ook omdat de eigenaardigheden van deze quasi-deeltjes ooit kunnen worden gebruikt in kwantumcomputers om informatie te coderen.

De nieuwe studie bij UNESP Ilha Solteira ging in die richting. "Onze theoretische studie richtte zich op moleculen die bestaan ​​uit ver van elkaar verwijderde atomen. Deze moleculen zouden niet levensvatbaar zijn buiten de Weyl-context omdat de afstand tussen atomen verhindert dat ze covalente bindingen vormen en dus elektronen delen. We hebben aangetoond dat de chiraliteit van elektronenverstrooiing in Weyl halfmetalen leidt tot de vorming van magnetische chemische bindingen, ' vertelde Seridonio.

Voorbeelden van Weyl-halfmetalen zijn tantaalarsenide (TaAs), niobiumarsenide (NbAs) en tantaalfosfide (TaP).

"In deze materialen Weylfermionen spelen een analoge rol als elektronen in grafeen. Echter, grafeen is een quasi-2-D systeem, overwegende dat deze materialen volledig 3D zijn, ', zei Seridonio.

De theoretische studie toonde aan dat Weyl-fermionen in deze systemen verschijnen als splitsingen in Dirac-fermionen, een categorie die alle stofdeeltjes van het zogenaamde Standaardmodel omvat, met de mogelijke uitzondering van neutrino's.

Deze splitsingen vinden plaats op punten waar de geleidingsband (de ruimte waarin vrije elektronen circuleren) de valentieband (de buitenste laag elektronen in atomen) raakt.

"Een breuk in symmetrie maakt dit punt, het Dirac-knooppunt, gesplitst in een paar Weyl-knooppunten met tegengestelde chiraliteiten. In onze studie, we braken de tijdomkeersymmetrie, ', zei Seridonio.

Tijdomkeersymmetrie betekent in wezen dat een systeem hetzelfde blijft als de tijdstroom wordt omgekeerd. "Als deze symmetrie wordt verbroken, het resulterende molecuul heeft spin-gepolariseerde orbitalen."

In gebruikelijke moleculaire systemen, spin-up elektronen en spin-down elektronen zijn gelijkmatig verdeeld in de elektronenwolk. Bij Weyl-systemen is dit niet het geval.

"Het resultaat is een molecuul waarin de spin-up en spin-down elektronenwolken ruimtelijk verschillend zijn. Deze eigenaardigheid kan worden gebruikt om informatie te coderen omdat het molecuul kan worden geassocieerd met het binaire systeem, wat de bit of basiseenheid van informatie is, ', zei Seridonio.