Vergelijkbaar met een magneet die altijd zowel de zuid- als de noordpool heeft, een soort speciale quasideeltjes in gecondenseerde materie genaamd "Weyl Fermions" verschijnen altijd in paren met tegengestelde chiraliteit. Er was tot voor kort geen experimenteel rapport dat ongepaarde Weyl-punten in gecondenseerde materie voorkomen, een fysicus van de City University of Hong Kong (CityU) observeerde de eerste ongepaarde enkelvoudige magnetische monopool van Weyl in een specifiek soort enkelvoudige kristallijne vaste stof.

Het onderzoekswerk werd mede geleid door Dr. Ma Junzhang, Universitair docent bij de afdeling Natuurkunde van CityU en samenwerkende wetenschappers van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en het Paul Scherrer Institute (PSI) in Zwitserland. Het is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , getiteld "Observatie van een enkelvoudig Weyl-punt omgeven door geladen knoopmuren in PtGa."

"Onze groep is de eerste die een ongepaarde magnetische Weyl-monopool in het experiment heeft gezien en geregistreerd. De bevindingen openen een nieuwe weg om te zoeken naar de bulktopologische eigenschappen van ongepaarde magnetische Weyl-monopolen in vaste stoffen, die het begrip van de fundamentele topologische fysica zal bevorderen, en de toepassing van Weyl-halfmetalen in spintronica, ' zei dokter Ma.

Weylpunten:vergelijkbare eigenschappen met magnetische monopolen

In de echte wereld, een magneet moet tegelijkertijd een zuid- en noordpool hebben. Moderne natuurkundige theorieën suggereren het bestaan ​​van een magnetische monopool, d.w.z. een kwantum elementaire eenheid van magneet met slechts één pool. Maar tot nu toe, er is geen experimenteel of observationeel bewijs bekend dat magnetische monopolen bestaan. Zoeken naar magnetische monopool is een droom geweest voor de moderne natuurkundige gemeenschap.

evenzo, Weylpunten in gecondenseerde materie (inclusief halfmetaalkristal) hebben dezelfde eigenschappen als de magnetische monopolen. "Daarom, Weylpunten in gecondenseerde materie worden ook wel Weyl magnetische monopolen genoemd, " verklaarde Dr. Ma.

Maar er is één verschil voor Weylpunten, gebaseerd op de waarnemingen van veel natuurkundigen. Er wordt algemeen aangenomen dat het bestaan ​​van een ongepaarde magnetische monopool van Weyl in vaste stoffen onmogelijk is vanwege de bekende Nielsen-Ninomiya no-go-stelling. Als resultaat, men denkt dat magnetische monopolen van Weyl in halfmetalen altijd in paren met tegengestelde ladingen in de 3D-impulsruimte zouden moeten verschijnen. En de projecties van de monopolen op het oppervlak van het eenkristal moeten altijd verbonden zijn door een soort geleidende toestand, Fermi-bogen genaamd, dat werkt als een elektronisch kanaal waar elektronen doorheen kunnen transporteren.

Geen succesvol experimenteel precedent

Aanzienlijke theoretische inspanningen zijn gewijd aan het zoeken naar ongepaarde Weyl-monopolen voorbij deze no-go-stelling, maar er is in het verleden geen succesvol experiment gemeld. Veel wetenschappers dachten dat zo'n "ongepaarde substantie" moeilijk te bestaan ​​was in enkelvoudige kristallijne vaste stoffen.

Maar dr. Ma dacht van niet. Hij doorzocht duizenden verbindingen in de database en ontdekte uiteindelijk dat enkele tientallen van hen de potentiële kandidaten zijn voor het hosten van ongepaarde Weyl-monopolen. Zijn suggesties werden ondersteund door theoretische collega's Dr. Wu Quansheng, en Profesor Oleg Yazyev van EPFL. Daarna, een team onder leiding van Dr. Ma en professor Shi Ming van PSI startte een reeks foto-emissie-experimenten bij de Zwitserse lichtbron bij PSI en bewees met succes de primaire ideeën.

Combineren van hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie (ARPES) experimenten met dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen, het onderzoeksteam onthulde voor het eerst dat ongepaarde Weyl-monopolen in verschillende verbindingen kunnen ontstaan. Bij het bestuderen van de veelbelovende kandidaat, halfmetaal kristal platina gallium (PtGa), het onderzoeksteam identificeerde 37 Weyl-monopolen in de momentumruimte, en ontdekte dat het systeem oneven 37 Weyl-punten herbergt met ofwel +1 lading of -1 lading die voorkomen dat ze samen paren.

Ze toonden ook voor het eerst experimenteel aan dat een ongepaarde magnetische monopool kan bestaan ​​in de momentumruimte van een vaste stof zonder Fermi-boog aan het oppervlak. De geometrie van het ongepaarde Weyl-punt is heel anders dan die van normale Weyl-halfmetalen, dus de eigenschappen zullen naar verwachting aanzienlijk veranderen in dit nieuwe soort materialen, die een nieuwe studierichting bepaalt.

Een nieuwe onderzoeksrichting

Dr. Ma gelooft dat de baanbrekende ontdekking van de ongepaarde magnetische monopool van Weyl een nieuw inzicht kan verschaffen in de fundamentele fysica van de magnetische monopool van Weyl in gecondenseerde materie. En de bijzondere eigenschappen van Weyl magnetische monopool, zoals hoge elektronische mobiliteit, speciale reactie op een extern magnetisch veld en lage warmtesnelheid, kan het in de toekomst een goede kandidaat maken voor spintronische computerapparaten zoals quantum computing en neuromorphic computing.