Las longitudes de onda de luz del infrarrojo medio son invisibles para el ojo, pero pueden ser útiles para varias tecnologías, incluyendo visión nocturna, detección térmica, y vigilancia ambiental. Ahora, un nuevo fenómeno en un metal poco convencional, encontrado por físicos en el MIT y en otros lugares, podría proporcionar una nueva forma de fabricar detectores de alta sensibilidad para estas escurridizas longitudes de onda. El fenómeno está estrechamente relacionado con una partícula que ha sido predicha por físicos de alta energía pero que nunca se ha observado.

Los físicos agrupan todas las partículas fundamentales de la naturaleza en dos categorías, fermiones y bosones, de acuerdo con una propiedad llamada espín. Los fermiones Sucesivamente, tienen tres tipos:Dirac, Majorana, y Weyl. Los fermiones de Dirac incluyen los electrones en metales regulares como el cobre o el oro. Las otras dos son partículas no convencionales que pueden dar lugar a una física extraña y fundamentalmente nueva, que potencialmente se pueden utilizar para construir circuitos y otros dispositivos más eficientes.

El fermión de Weyl fue teorizado por primera vez hace casi un siglo por el físico alemán Hermann Weyl. Aunque su existencia se postula como parte de las ecuaciones que forman el modelo estándar ampliamente aceptado de física subatómica, Los fermiones de Weyl nunca se han observado de forma experimental. La teoría predice que deberían moverse a la velocidad de la luz, y, al mismo tiempo, girar sobre la dirección del movimiento. Vienen en dos variedades dependiendo de si su rotación alrededor de la dirección del movimiento es en sentido horario o antihorario. Esta propiedad se conoce como destreza, o quiralidad, de fermiones Weyl.

Aunque los fermiones de Weyl nunca se han observado directamente, Los investigadores han observado recientemente un fenómeno que imita aspectos esenciales de sus propiedades teorizadas, en una clase de metales no convencionales conocidos como semimetales de Weyl. Un desafío restante era medir experimentalmente la quiralidad de estos fermiones de Weyl, que eludió la detección de la mayoría de las técnicas experimentales estándar.

En un artículo publicado en la revista Física de la naturaleza , Un equipo del MIT pudo medir la quiralidad del fermión de Weyl utilizando luz polarizada circularmente. Este trabajo fue realizado por los postdoctorados del MIT Qiong Ma y Su-Yang Xu; profesores de física Nuh Gedik, Pablo Jarillo-Herrero, y Patrick Lee; y otros ocho investigadores del MIT y otras universidades de EE. UU., Porcelana, y Singapur.

Específicamente, los investigadores encontraron que un metal llamado arseniuro de tantalio, o TaAs, "exhibe una propiedad optoelectrónica interesante llamada efecto fotogalvánico circular, "dice Gedik, profesor asociado en el Departamento de Física. Convencionalmente La conducción eléctrica requiere aplicar un voltaje externo a través de los dos extremos de un metal (como el cobre). Por el contrario, los investigadores encontraron en este trabajo que, al hacer brillar luz circularmente polarizada en el rango de longitud de onda del infrarrojo medio, los TaAs pueden producir una corriente eléctrica sin aplicar voltajes externos. Es más, la dirección de la corriente está dictada por la quiralidad de los fermiones de Weyl y se puede cambiar cambiando la polarización de la luz de izquierda a derecha.

La cantidad de corriente generada de esta manera resulta ser sorprendentemente grande, de 10 a 100 veces más fuerte que la respuesta de otros materiales utilizados para detectar este tipo de luz. Esto podría hacer que el material sea útil para detectores de luz extremadamente sensibles en esta parte del espectro del infrarrojo medio.

"A pesar de que se predijo hace mucho tiempo, Los fermiones de Weyl nunca se han observado como una partícula fundamental en la física de partículas, "Gedik explica. Pero los nuevos experimentos, él dice, han demostrado que en estos metales no convencionales, los electrones ordinarios "pueden comportarse de una manera extraña, de modo que su movimiento imita el comportamiento de los fermiones de Weyl, "y puede exhibir una variedad de propiedades novedosas.

A lo largo de los años desde la hipótesis original de Weyl, "Mucha gente sospechaba que los neutrinos eran fermiones de Weyl, "Dice Xu. Los neutrinos son partículas subatómicas que atraviesan el universo casi a la velocidad de la luz y durante mucho tiempo se pensó que no tenían masa en absoluto, al igual que los fermiones de Weyl postulados. Pero entonces, cuando se descubrió que los neurinos de hecho tenían una masa diminuta pero medible, se descartó esa posibilidad, y todavía no se han observado fermiones de Weyl reales. "Pero la forma en que el comportamiento de los electrones en semimetales como TaAs imita de cerca lo que se predijo para los fermiones de Weyl apoya la teoría original de Weyl, "Dice mamá.

Los electrones "pueden comportarse como fermiones de Weyl en esos metales, "Mamá dice." Siempre vienen en pares que siempre tienen quiralidad opuesta ".

Mientras que otros habían observado algunos de los comportamientos inusuales de los electrones en estos materiales, nadie había podido probar previamente el aspecto clave de los fermiones de Weyl, es decir, su giro con la mano izquierda o derecha. Pero en esta investigación, "Descubrimos una forma de medir la quiralidad, "Xu dice, mediante el uso de luz polarizada circularmente para activar la corriente eléctrica, y mostrando que las polarizaciones de luz opuestas causaron que la corriente se moviera en direcciones opuestas. Midiendo la corriente usando electrodos adheridos al material para diferentes polarizaciones de luz, pudieron deducir la quiralidad de los fermiones de Weyl responsables de esta corriente.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.