En TU Wien recientemente, Se descubrieron partículas conocidas como 'fermiones de Weyl' en materiales con una fuerte interacción entre los electrones. Al igual que las partículas de luz no tienen masa pero, sin embargo, se mueven extremadamente lentamente.

Hubo una gran emoción en 2015, cuando fue posible medir por primera vez estos 'fermiones Weyl' - extravagantes, partículas sin masa que habían sido predichas casi 90 años antes por matemático alemán, médico y filósofo, Hermann Weyl. Ahora, una vez más, ha habido un gran avance en este campo de investigación, siendo los investigadores de TU Wien los primeros en detectar con éxito partículas de Weyl en sistemas de electrones fuertemente correlacionados, es decir, materiales donde los electrones tienen una fuerte interacción entre sí. En materiales como este, las partículas de Weyl se mueven extremadamente lentamente, a pesar de no tener misa. El descubrimiento ahora debería abrir la puerta a un área completamente nueva de la física, y permitir efectos material-físicos hasta ahora inimaginables.

Cuasipartículas:solo es posible en estado sólido

Después de que el médico Paul Dirac llegara a su ecuación de Dirac en 1928, que se puede utilizar para describir el comportamiento de los electrones relativistas, Hermann Weyl encontró una solución particular para esta ecuación, a saber, para partículas con masa cero, o 'fermiones de Weyl'. Originalmente se pensó que el neutrino era una partícula de Weyl sin masa, hasta que se descubrió que sí tiene masa. Los misteriosos fermiones de Weyl eran, De hecho, detectado por primera vez en 2015; resultaron no ser partículas libres como el neutrino, que puede moverse por el universo independientemente del resto del mundo, sino más bien "cuasipartículas" en estado sólido.

"Las cuasipartículas no son partículas en el sentido convencional, sino más bien excitaciones de un sistema que consta de muchas partículas que interactúan, "explica la profesora Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien. En cierto sentido, son similares a una ola en el agua. La ola no es una molécula de agua, más bien se basa en el movimiento de muchas moléculas. Cuando la ola avanza, esto no significa que las partículas en el agua se muevan a esa velocidad. No son las moléculas de agua en sí mismas, pero su excitación en forma de onda que se propaga.

Sin embargo, aunque las cuasipartículas en estado sólido son el resultado de una interacción entre muchas partículas, desde una perspectiva matemática, se pueden describir de manera similar a una partícula libre en el vacío.

Una "velocidad de la luz" de solo 100 m / s

Lo notable del experimento, realizado por Sami Dzsaber y otros miembros del grupo de investigación de materiales cuánticos dirigido por Silke Bühler-Paschen en TU Wien, es el hecho de que las partículas de Weyl se descubrieron en un sistema de electrones fuertemente correlacionado. Este tipo de material es de particular interés para el campo de la física del estado sólido:sus electrones no pueden describirse como separados unos de otros; están fuertemente interconectados y es precisamente esto lo que les confiere propiedades extraordinarias, desde la superconductividad de alta temperatura hasta nuevos tipos de transiciones de fase.

"Las interacciones fuertes en tales materiales generalmente conducen, a través del llamado efecto Kondo, a partículas que se comportan como si tuvieran una masa extremadamente grande, ", explica Sami Dzsaber." Así que fue sorprendente para nosotros detectar fermiones de Weyl con una masa de cero en este tipo particular de material ". De acuerdo con las leyes de la relatividad, Las partículas libres sin masa siempre deben esparcirse a la velocidad de la luz. Este es, sin embargo, no es el caso en los estados sólidos:"Aunque nuestros fermiones Weyl no tienen masa, su velocidad es extremadamente baja, ", dice Bühler-Paschen. El estado sólido les otorga su propia 'velocidad de luz' fija hasta cierto punto. Esta es inferior a 1000 m / s, es decir, solo alrededor de la tres millonésima parte de la velocidad de la luz en el vacío. "Como tal, son incluso más lentos que los fonones, el análogo a la onda del agua en estado sólido, y esto los hace detectables en nuestro experimento ".

En busca de nuevos efectos

Al mismo tiempo que se estaban realizando estas mediciones en TU Wien, Se estaban llevando a cabo investigaciones teóricas bajo el liderazgo de Qimiao Si en la Universidad de Rice en Texas (Bühler-Paschen era profesor invitado allí en ese momento) que analizaba la cuestión de cómo estos fermiones de Weyl podrían existir en un material fuertemente correlacionado. Esta combinación de experimento y teoría produjo así una imagen concluyente del nuevo efecto, que ahora está permitiendo la realización de nuevas investigaciones.

Las cuasipartículas recién detectadas son interesantes por varias razones:"Incluso si los fermiones de Weyl se encontraran inicialmente en otros materiales, es mucho más fácil controlar el efecto en nuestros materiales fuertemente correlacionados, ", dice Silke Bühler-Paschen." Debido a su baja energía, es mucho más fácil influir en ellos utilizando parámetros como la presión o un campo magnético externo ”. Esto significa que los fermiones de Weyl también se pueden utilizar para aplicaciones tecnológicas.

Los fermiones de Weyl solo se dispersan en el material en un grado mínimo, lo que significa que pueden conducir corriente eléctrica casi sin pérdidas, esto es de gran importancia para la electrónica. También es probable que sean extremadamente interesantes para el campo de la espintrónica, un avance en la electrónica donde no solo se utiliza la carga eléctrica de las partículas sino también su giro. Los fermiones de Weyl serán de interés aquí debido a su giro particularmente robusto. La partícula también debería ser especialmente adecuada para su uso en computadoras cuánticas. "Este es un desarrollo realmente emocionante, "dice Bühler-Paschen.