Los 37 puntos Weyl no apareados en el espacio recíproco 3D de GaPt, y el componente del campo de curvatura de Berry (análogo al campo magnético) en el plano kz =0. Crédito:Dr. Ma Junzhang
Similar a un imán que siempre tiene polos sur y norte, una especie de cuasipartículas especiales en materia condensada llamadas "Weyl Fermions" siempre aparecen en pares con quiralidad opuesta. No ha habido ningún informe experimental de que existan puntos de Weyl no apareados en materia condensada hasta hace poco, Un físico de la City University of Hong Kong (CityU) observó el primer monopolo magnético singular de Weyl no apareado en un tipo específico de sólido monocristalino.
El trabajo de investigación fue codirigido por el Dr. Ma Junzhang, Profesor asistente en el Departamento de Física de CityU y científicos colaboradores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) y el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Suiza. Fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza , titulado "Observación de un punto Weyl singular rodeado por paredes nodales cargadas en PtGa".
"Nuestro grupo es el primero en ver y registrar un monopolo magnético de Weyl no apareado en el experimento. Los hallazgos abren una nueva vía para buscar las propiedades topológicas a granel de los monopolos magnéticos de Weyl no apareados en sólidos. que promoverá la comprensión de la física topológica básica, y la aplicación de semimetales de Weyl en espintrónica, "Dijo el Dr. Ma.
Puntos de Weyl:propiedades similares con monopolos magnéticos
En el mundo real, un imán debe tener polos sur y norte simultáneamente. Las teorías de la física moderna sugieren la existencia de un monopolo magnético, es decir, una unidad cuántica elemental de imán con un solo polo. Pero hasta ahora, no ha habido evidencia experimental u observacional conocida de que existan monopolos magnéticos. La búsqueda de monopolos magnéticos ha sido un sueño para la comunidad física moderna.
Similar, Los puntos de Weyl en la materia condensada (incluido el cristal semimetálico) tienen propiedades similares a las de los monopolos magnéticos. "Por lo tanto, Los puntos de Weyl en la materia condensada también se denominan monopolos magnéticos de Weyl, "explicó el Dr. Ma.
Pero hay una diferencia para los puntos Weyl, basado en las percepciones de muchos físicos. Se cree ampliamente que la existencia de un monopolo magnético de Weyl no apareado en sólidos es imposible debido al conocido teorema de Nielsen-Ninomiya no-go. Como resultado, Se cree que los monopolos magnéticos de Weyl en semimetales siempre deberían aparecer en pares con cargas opuestas en el espacio de momento 3D. Y las proyecciones de los monopolos en la superficie del monocristal siempre deben estar conectadas por un tipo de estado conductor llamado arcos de Fermi, que actúa como un canal electrónico que los electrones pueden transportar a través de él.
Observación experimental de monopolos magnéticos no apareados en el espacio energía-momento de PtGa. Crédito:Dr. Ma Junzhang
Ningún precedente experimental exitoso
Se han dedicado considerables esfuerzos teóricos a buscar monopolos de Weyl no apareados más allá de este teorema de no ir. pero no se informó de ningún experimento exitoso en el pasado. Muchos científicos pensaron que ese tipo de "sustancia no apareada" era difícil de existir en sólidos monocristalinos.
Pero el Dr. Ma no lo creía así. Buscó miles de compuestos en la base de datos y finalmente descubrió que algunas docenas de ellos son los candidatos potenciales que albergan monopolos de Weyl no apareados. Sus sugerencias fueron apoyadas por colegas teóricos, el Dr. Wu Quansheng, y el Profesor Oleg Yazyev de EPFL. Después, un equipo dirigido por el Dr. Ma y el profesor Shi Ming de PSI inició una serie de experimentos de fotoemisión en Swiss Light Source en PSI y probó con éxito las ideas principales.
Combinando experimentos de espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) con cálculos de teoría funcional de densidad, El equipo de investigación reveló por primera vez que los monopolos de Weyl no apareados pueden surgir en varios compuestos. Al estudiar al candidato prometedor, cristal semimetálico platino galio (PtGa), el equipo de investigación identificó 37 monopolos de Weyl en el espacio de impulso, y descubrió que el sistema alberga un número impar de 37 puntos Weyl con una carga de +1 o una carga de -1 que les impide emparejarse.
También demostraron experimentalmente por primera vez que un monopolo magnético no apareado puede existir en el espacio de impulso de un sólido sin arco de Fermi de superficie. La geometría del punto de Weyl no apareado es bastante diferente de la de los semimetales de Weyl normales, por lo que se espera que las propiedades cambien significativamente en este nuevo tipo de materiales, que define una nueva dirección de estudio.
Una nueva dirección de investigación
El Dr. Ma cree que el descubrimiento pionero del monopolo magnético de Weyl no apareado puede proporcionar una nueva visión de la física fundamental del monopolo magnético de Weyl en materia condensada. Y las propiedades especiales del monopolo magnético Weyl, como alta movilidad electrónica, respuesta especial a un campo magnético exterior y baja tasa de calor, puede convertirlo en un buen candidato para dispositivos informáticos espintrónicos como la computación cuántica y la computación neuromórfica en el futuro.
