Investigadores del Departamento de Teoría del MPSD en Hamburgo y la Universidad Estatal de Carolina del Norte en los EE. UU. Han demostrado que el estado semimetálico magnético de Weyl tan buscado puede ser inducido por pulsos de láser ultrarrápidos en una clase tridimensional de materiales magnéticos denominados iridatos de pirocloro. . Sus resultados, que han sido publicados en Comunicaciones de la naturaleza , podría habilitar dispositivos de conmutación topológica magnetoóptica de alta velocidad para la electrónica de próxima generación.

Todas las partículas elementales conocidas se pueden clasificar en dos categorías:bosones y fermiones. Los bosones llevan fuerzas como la fuerza magnética o la gravedad, mientras que los fermiones son las partículas de materia, como electrones. Teóricamente se predijo que los fermiones mismos pueden venir en tres especies, llamado así por los físicos Dirac, Weyl y Majorana.

Los electrones en el espacio libre son fermiones de Dirac, pero en sólidos, pueden cambiar su naturaleza. En el grafeno, material de carbono atómicamente delgado, se convierten en fermiones de Dirac sin masa. En otros materiales recientemente descubiertos y fabricados, también pueden convertirse en fermiones Weyl y Majorana, lo que hace que dichos materiales sean interesantes para tecnologías futuras, como las computadoras cuánticas topológicas y otros dispositivos electrónicos novedosos.

En combinación con una ola de bosones, a saber, fotones en un láser, los fermiones se pueden transformar de un tipo a otro, propuesto por los teóricos del MPSD en 2016. Ahora, un nuevo estudio dirigido por Ph.D. El estudiante Gabriel Topp del grupo Emmy Noether de Michael Sentef sugiere que los espines de los electrones pueden manipularse mediante pulsos de luz cortos para crear una versión magnética de los fermiones Weyl a partir de un aislante magnético. Basado en un estudio previo dirigido por el investigador postdoctoral del MPSD Nicolas Tancogne-Déjean y el Director de Teoría Angel Rubio, los científicos utilizaron la idea de la repulsión electrón-electrón controlada por láser para suprimir el magnetismo en un material iridato de pirocloro donde los espines de los electrones se colocan en una red de tetraedros.

En esta celosía giros de electrones, como pequeñas agujas de brújula, apunte todo hacia el centro del tetraedro y todo hacia fuera en el vecino. Este todo incluido combinación total, junto con la longitud de las agujas de la brújula, conduce a un comportamiento aislante en el material sin estimulación lumínica. Sin embargo, Las simulaciones por computadora modernas en grandes clústeres de computación revelaron que cuando un pulso de luz corto golpea el material, las agujas comienzan a girar de tal manera que, de media, parecen agujas más cortas con un orden magnético menos fuerte. Hecho de la manera correcta esta reducción del magnetismo lleva a que el material se vuelva semimetálico con fermiones de Weyl emergiendo como los nuevos portadores de electricidad en él.

"Este es un gran paso adelante en el aprendizaje de cómo la luz puede manipular materiales en escalas de tiempo ultracortas, "dice Michael Sentef. Gabriel Topp dice, "Nos sorprendió el hecho de que incluso un pulso de láser demasiado fuerte que debería conducir a una supresión completa del magnetismo y un metal estándar sin fermiones de Weyl podría conducir a un estado de Weyl. Esto se debe a que en escalas de tiempo muy cortas, el material no tiene tiempo suficiente para encontrar un equilibrio térmico. Cuando todo se agita de un lado a otro, toma algún tiempo hasta que la energía extra del pulso láser se distribuye uniformemente entre todas las partículas del material ".

Los científicos son optimistas de que su trabajo estimulará más trabajos teóricos y experimentales en este sentido. "Estamos apenas comenzando a aprender a comprender las muchas formas hermosas en las que la luz y la materia pueden combinarse para producir efectos fantásticos y ni siquiera sabemos cuáles podrían ser hoy". ", dice Ángel Rubio." Estamos trabajando muy duro con un grupo dedicado y altamente motivado de talentosos jóvenes científicos en el MPSD para explorar estas posibilidades casi ilimitadas para que la sociedad se beneficie de nuestros descubrimientos ".