Cuasipartículas que se comportan como fermiones sin masa, conocidos como fermiones de Weyl, han estado en el centro de una serie de descubrimientos interesantes en la física de la materia condensada en los últimos años. El grupo del físico Sebastian Huber de ETH Zurich ahora informa sobre experimentos en los que lograron manejar una de las propiedades definitorias de los fermiones de Weyl:su quiralidad.

"En mi trabajo, Siempre he tratado de unir lo verdadero con lo bello; cuando tuve que decidirme por uno de ellos, Siempre he elegido lo que era hermoso ". Esta cita adorna la pared de un nicho en la sala Hermann Weyl en el edificio principal de ETH Zurich, detrás de una escultura del matemático alemán, físico y filósofo Hermann Weyl, quien fue profesor de matemáticas superiores en ETH desde 1913 hasta 1930.

Durante ese tiempo, Weyl produjo una ecuación de onda relativista para describir partículas sin masa spin-1/2, que ahora se conocen como fermiones Weyl. Reportando hoy en la revista Física de la naturaleza , Valerio Peri y su colega Marc Serra-García en el grupo de Sebastian Huber en el Instituto de Física Teórica de la ETH de Zúrich, junto con Roni Ilan de la Universidad de Tel-Aviv (Israel), informan de un estudio experimental en el que han observado una característica intrigante y conceptualmente de gran alcance de la teoría consagrada de Weyl:un posible campo de fondo que se acopla de manera diferente a los fermiones de Weyl de quiralidad opuesta.

Los fermiones sin masa nunca se han observado en la naturaleza. Hoy dia, sabemos que los fermiones de Weyl surgen como excitaciones colectivas, las llamadas cuasipartículas, en sistemas de muchos cuerpos. Esto se realizó experimentalmente en 2015 en un material cristalino, en el que los fermiones de Weyl aparecen como puntos específicos en la estructura de la banda electrónica. También se ha demostrado que tales puntos de Weyl existen en estructuras periódicas diseñadas que interactúan con ondas clásicas, en particular con ondas electromagnéticas (en cristales fotónicos) y con ondas acústicas (en cristales fonónicos). Peri y sus compañeros de trabajo adoptaron una plataforma fonónica, que consta de 4800 cuidadosamente diseñados, Celdas unitarias impresas en 3-D dispuestas en una estructura en 3-D (en la imagen de arriba), en el que interactúan con ondas sonoras en el aire.

Estos metamateriales acústicos se conocen como plataformas adecuadas para explorar la física de Weyl, pero los investigadores de ETH agregaron un giro importante a la historia. Diseñaron un campo de fondo que interactúa con los fermiones de Weyl de una manera similar a cómo un campo magnético interactúa con las excitaciones electrónicas en un cristal. Como las ondas sonoras no tienen carga, y por lo tanto son inertes a los campos magnéticos, Peri y col. tuvo que encontrar otros medios para manipular las cuasipartículas en su sistema. Lo hicieron variando ligeramente la geometría de las celdas unitarias, de modo que la ubicación espacial en la que aparecen los puntos de Weyl (en el espacio de impulso) varió a lo largo de la muestra. Esta modificación hace que su sistema acústico se comporte como un sistema electrónico inmerso en un campo magnético, con una diferencia importante. Diseñaron el campo de fondo de manera que se acopla de manera diferente a los dos tipos de fermiones de Weyl:aquellos con momento angular intrínseco (espín) alineados en paralelo con su momento lineal, y aquellos con alineación antiparalela. En otras palabras, el campo se acopla de manera diferente a las partículas dependiendo de su quiralidad.

La realización de un campo de fondo que distinga la quiralidad es un paso importante, ya que va al corazón de por qué los fermiones de Weyl son tan emocionantes en la física de partículas. Cuando los fermiones de diferente quiralidad pueden manipularse independientemente unos de otros, entonces las leyes clásicas de conservación pueden romperse a nivel cuántico. Por ejemplo, la carga de los fermiones de una quiralidad determinada no se conserva. Tal comportamiento da lugar a la llamada anomalía quiral, que a su vez podría ser la clave para comprender las características centrales del Modelo Estándar de física de partículas.

Peri y sus colegas ahora han demostrado la existencia de distintos canales quirales, dándoles acceso independiente a los fermiones de Weyl de quiralidad opuesta en un sistema a granel. (Se han reportado previamente resultados relacionados para sistemas electrónicos en dos dimensiones). Habiendo realizado tal comportamiento profundamente arraigado en la teoría de la física de alta energía con ondas sonoras de baja energía que interactúan con un sistema de materia condensada, promete una plataforma versátil para explorar más los fenómenos. relacionados con los fermiones de Weyl que se han predicho teóricamente, y tomar nuevas medidas para explotar ese comportamiento en áreas tecnológicas, desde la acústica hasta la electrónica, sin perder de vista la belleza subyacente que guió a Hermann Weyl.