Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen in Dresden, Princeton Universiteit, de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, en de Universiteit van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben een beroemd ongrijpbaar deeltje ontdekt:het axion, 42 jaar geleden voor het eerst voorspeld als een elementair deeltje in uitbreidingen van het standaardmodel van de deeltjesfysica. De resultaten van de experimenten zijn gepubliceerd in Natuur .

Het team vond handtekeningen van axiondeeltjes bestaande uit Weyl-type elektronen (Weyl-fermionen) in het gecorreleerde Weyl-halfmetaal (TaSe ₄ ) ₂ I. Bij kamertemperatuur, (TaSe ₄ ) ₂ I is een eendimensionaal kristal waarin elektrische stroom wordt geleid door Weyl-fermionen. Echter, door afkoeling (TaSe ₄ ) ₂ Ik beneden -11 graden C, deze Weyl-fermionen condenseren zelf tot een kristal, een zogenaamde "ladingsdichtheidsgolf, " die het onderliggende kristalrooster van de atomen vervormt. De aanvankelijk vrije Weyl-fermionen zijn nu gelokaliseerd en het initiële Weyl-halfmetaal (TaSe ₄ ) ₂ Ik wordt een axion-isolator. Vergelijkbaar met het bestaan ​​van vrije elektronen in metallische atomaire kristallen, het op semi-metaal gebaseerde Weyl-kristal met ladingsdichtheidsgolf herbergt axionen die elektrische stroom kunnen geleiden. Echter, dergelijke axionen gedragen zich heel anders dan elektronen. Bij blootstelling aan parallelle elektrische en magnetische velden, ze leveren een afwijkende positieve bijdrage aan de magneto-elektrische geleidbaarheid.

Gebaseerd op voorspellingen van de groep van Andrei Bernevig aan de Princeton University, de groep van Claudia Felser in Dresden produceerde de ladingsdichtheidsgolf Weyl-metalloïde (TaSe ₄ ) ₂ I en onderzochten de elektrische geleiding in dit materiaal onder invloed van elektrische en magnetische velden. De onderzoekers ontdekten dat de elektrische stroom in dit materiaal onder de -11 graden Celsius feitelijk wordt gedragen door axiondeeltjes. "Het is heel verrassend dat materialen waarvan we denken dat we ze kennen plotseling zulke interessante kwantumdeeltjes vertonen, " zegt Claudia Felser, een van de hoofdauteurs van het artikel.

Het onderzoeken van de nieuwe eigenschappen van axiondeeltjes in tafelbladexperimenten zou wetenschappers in staat kunnen stellen het mysterieuze rijk van kwantumdeeltjes beter te begrijpen, en open het veld van sterk gecorreleerde topologische materialen. "Weer een bouwsteen voor mijn levenslange droom om ideeën uit de astronomische en hoge-energiefysica te realiseren met tafelexperimenten in vaste stoffen, ’ zegt Johannes Gooth.