El estudio de las propiedades de las partículas fundamentales en los sistemas de materia condensada es un enfoque prometedor para la teoría cuántica de campos. Las cuasipartículas ofrecen la oportunidad de observar propiedades de partículas que no se realizan en partículas elementales. En el presente estudio, un equipo de investigación internacional liderado por Angel Rubio del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en CFEL en Hamburgo y la Universidad del País Vasco en Donostia-San Sebastián predijo cómo se puede usar la luz láser para crear estados de fermiones de Weyl en 3 -D Dirac materiales y para cambiar entre semimetal Weyl, Estados de aislante semimetálico y topológico de Dirac en escalas de tiempo ultrarrápidas. Además de su relevancia para la física cuántica fundamental, los resultados pueden conducir a aplicaciones en el cambio ultrarrápido de las propiedades del material. Los hallazgos se publican en línea en la revista. Comunicaciones de la naturaleza hoy dia.

En el modelo estándar de física de partículas, las partículas fundamentales que componen toda la materia que nos rodea (electrones y quarks) son los llamados fermiones, el nombre del famoso físico italiano Enrico Fermi. La teoría cuántica predice que los fermiones elementales podrían existir como tres tipos diferentes:Dirac, Weyl, y fermiones de Majorana, nombrado en honor a Paul Dirac, Hermann Weyl, y Ettore Majorana. Sin embargo, a pesar de haber sido predicho hace casi cien años, de estos tres tipos de partículas, sólo los fermiones de Dirac se han observado hasta ahora como partículas elementales en la naturaleza. Con el descubrimiento del grafeno en 2004, sin embargo, se comprendió que el comportamiento de las partículas libres relativistas podía observarse en las propiedades electrónicas de los materiales. Esto provocó la búsqueda de materiales donde se pudieran observar estas partículas fundamentales y solo el año pasado se descubrieron los primeros materiales que albergan fermiones de Weyl. Si bien cualquier material conocido solo alberga un tipo de estos fermiones en su estado de equilibrio, En el presente trabajo se demuestra cómo se puede transformar la naturaleza del fermión en materiales específicos mediante el uso de pulsos de luz personalizados.

Primera observación de fermiones de Dirac en grafeno

La observación de los fermiones de Dirac en las propiedades del grafeno se origina a partir de una compleja interacción de la gran cantidad de electrones e iones que componen el material. Aunque cada electrón individual interactúa con sus iones y electrones circundantes a través de fuerzas electrostáticas, el patrón particular de iones de carbono en la estructura de la capa de panal de grafeno hace que los electrones se comporten colectivamente como sin masa, fermiones libres - Fermiones de Dirac. Estas partículas que forman cooperativamente nuevas partículas con diferentes propiedades se denominan cuasipartículas. La búsqueda de otros materiales que alberguen cuasipartículas que se comporten como partículas fundamentales se ha centrado hasta ahora en la estructura cristalina de los materiales.

Creación de estados topológicos impulsados ​​por láser

Ahora se ha encontrado, sin embargo, que al irradiar un material con un láser, También es posible combinar una cuasipartícula con los fotones del campo láser para formar una nueva cuasipartícula que, de nuevo, puede comportarse de manera fundamentalmente diferente. En particular, el acoplamiento a fotones puede afectar la topología de las cuasipartículas. La topología es una propiedad de las partículas que conduce a propiedades peculiares, por ejemplo, estados de bordes quirales metálicos que forman una carretera cuántica unidireccional sin colisiones a lo largo del borde de un aislante topológico. Esta quiralidad, o destreza, es topológico en el sentido de que las quiralidades diestras y zurdas son estados discretos que no pueden deformarse continuamente entre sí. El Premio Nobel de Física 2016 se le acaba de otorgar a Michael Kosterlitz, Duncan Haldane, ya David Thouless por el descubrimiento de tales fases topológicas de la materia.

Los fermiones de Dirac y Weyl se diferencian por su quiralidad. Al igual que nuestras manos derecha e izquierda, Los fermiones de Weyl ocurren en pares, donde una partícula es una versión reflejada de la otra. Los dos socios son casi idénticos, sin embargo, no se pueden superponer. Fermiones de Dirac, por el contrario, no tengo esta propiedad.

Un enfoque para crear quiralidad en un material es impulsarlo con un rayo láser. “Hace unos diez años se descubrió que la llamada teoría de Floquet, una teoría para sistemas impulsados ​​por láser que oscilan periódicamente en el tiempo, nos permite diseñar parámetros y simetrías en materiales que pueden cambiar su topología. "explica Michael Sentef, Líder del grupo Emmy Noether en el MPSD de Hamburgo. Inducir la quiralidad en un material de fermiones de Dirac combinando esos fermiones con fotones del rayo láser para formar nuevas cuasipartículas puede transformarlo en un material de fermiones de Weyl.

En el presente trabajo, el equipo alrededor de Angel Rubio utilizó simulaciones computacionales de alto nivel de las propiedades del material para mostrar cómo esta transformación óptica de fermiones de Dirac a fermiones de Weyl se puede lograr en un material real - Na ₃ Bi. Este material es el llamado semimetal de Dirac tridimensional. Consiste en capas de átomos de sodio y bismuto que se organizan para formar un equivalente tridimensional del grafeno. Esta tridimensionalidad es necesaria para que tenga lugar la transformación de Dirac en fermiones Weyl. No puede suceder en una hoja bidimensional de grafeno.

"El desafío crucial en este trabajo fue llevar las ideas de la teoría y topología de Floquet desde el nivel conceptual de los sistemas modelo al mundo de los materiales reales y demostrar que tales transiciones de fase topológica sin equilibrio se pueden realizar en un contexto de ciencia de materiales, "dice Hannes Hübener, Becaria Marie Curie de la Universidad del País Vasco en San Sebastián y autora principal del trabajo.

De la estabilidad topológica a la electrónica ultrarrápida

En particular, los autores pudieron mostrar cómo surge la protección topológica de la lateralidad de los fermiones de Weyl y cómo puede hacerse más robusta cuanto más fuerte es el campo láser. "En nuestras simulaciones nos dimos cuenta de que cuando subimos el campo, los dos fermiones Weyl diferentes, diestros y zurdos, se alejaron más entre sí en el llamado espacio de impulso, en el que viven las cuasipartículas, "dice Sentef." Dado que las partículas de la mano derecha y la izquierda son antipartículas entre sí, tienen que unirse para destruirse unos a otros. La separación los protege así de ser destruidos, lo que significa que logramos la estabilidad topológica de estas cuasipartículas ".

Los resultados teóricos sugieren que los experimentadores deberían poder medir la transformación entre los fermiones de Dirac y Weyl en experimentos con láser ultrarrápido. Una forma de hacerlo es utilizar el efecto fotoeléctrico para expulsar electrones del material impulsado por láser, una técnica llamada espectroscopia de fotoemisión de bomba-sonda, que está disponible en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia con la líder del grupo Otto-Hahn Isabella Gierz y la Directora Andrea Cavalleri.

Ángel Rubio, Director del Departamento de Teoría de MPSD, añade:"Este trabajo abre nuevas y emocionantes vías para manipular las propiedades de los materiales y moléculas mediante la interacción fundamental entre la luz y la materia. Allana el camino para, en última instancia, controlar su comportamiento a nanoescala y con ciclos de conmutación ultrarrápidos". Los científicos incluso esperan que pueda haber una manera de estabilizar los estados inducidos por la luz durante más tiempo y al mismo tiempo conservar la capacidad de cambiarlos a terahercios o incluso a frecuencias más rápidas. Esto puede permitir nuevos dispositivos electrónicos ultrarrápidos para computadoras ultrarrápidas en el futuro.