Las partículas de Weyl no son partículas que pueden moverse por sí mismas como electrones o protones, solo existen como 'cuasipartículas' dentro de un material sólido. Ahora, por primera vez, tales partículas de Weyl se han encontrado en un tipo especial dematerial, que es particularmente interesante para nuevas aplicaciones tecnológicas: los científicos han medido los fermiones de Weyl en un material con electrones altamente correlacionados. Sorprendentemente, estos fermiones se mueven muy lentamente, a pesar de no tener masa.
Hubo una gran emoción en 2015, cuando fue posible medir por primera vez estos 'fermiones de Weyl', partículas extravagantes y sin masa que habían sido predichas casi 90 años antes por el matemático, médico y filósofo alemán Hermann Weyl. Ahora, una vezUna vez más, ha habido un avance en este campo de investigación, con investigadores de TU Wien siendo los primeros en detectar con éxito partículas de Weyl en sistemas de electrones fuertemente correlacionados, es decir, materiales donde los electrones tienen una fuerte interacción entre ellos.así, las partículas de Weyl se mueven extremadamente lento, a pesar de no tener masa. El descubrimiento ahora debería abrir la puerta a un área completamente nueva de la física y permitir efectos material-físicos hasta ahora inimaginables.
Cuasipartículas: solo posible en estado sólido
Después de que el médico Paul Dirac llegara a su ecuación de Dirac en 1928, que puede usarse para describir el comportamiento de los electrones relativistas, Hermann Weyl encontró una solución particular para esta ecuación, es decir, para partículas con masa cero o 'fermiones de Weyl'Originalmente se creía que el neutrino era una partícula de Weyl sin masa, hasta que se descubrió que sí tenía masa. De hecho, los misteriosos fermiones de Weyl fueron detectados por primera vez en 2015; resultaron no ser partículas librescomo el neutrino, que puede moverse a través del universo independientemente del resto del mundo, pero más bien 'cuasipartículas' en estado sólido.
"Las cuasipartículas no son partículas en el sentido convencional, sino más bien excitaciones de un sistema que consiste en muchas partículas que interactúan", explica la profesora Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido en TU Wien. En cierto sentido, son similaresa una ola en el agua. La ola no es una molécula de agua, sino que se basa en el movimiento de muchas moléculas. Cuando la ola avanza, esto no significa que las partículas en el agua se muevan a esa velocidad. No eslas moléculas de agua en sí, pero su excitación en forma de onda se extiende.
Sin embargo, aunque las cuasipartículas en estado sólido son el resultado de una interacción entre muchas partículas, desde una perspectiva matemática se pueden describir de manera similar a una partícula libre en el vacío.
Una "velocidad de la luz" de solo 100 m / s
Lo notable del experimento, realizado por Sami Dzsaber y otros miembros del grupo de investigación de materiales cuánticos dirigido por Silke Bühler-Paschen en TU Wien, es el hecho de que las partículas de Weyl se descubrieron en un sistema de electrones fuertemente correlacionado.El tipo de material es de particular interés para el campo de la física del estado sólido: sus electrones no pueden describirse como separados entre sí; están fuertemente interconectados y es precisamente esto lo que les otorga propiedades extraordinarias, desde la superconductividad a alta temperatura hasta nuevos tipos.de transiciones de fase.
"Las fuertes interacciones en tales materiales generalmente conducen, a través del llamado efecto Kondo, a partículas que se comportan como si tuvieran una masa extremadamente grande", explica Sami Dzsaber. "Así que fue sorprendente para nosotros detectar fermiones de Weyl con unmasa de cero en este tipo particular de material ". Según las leyes de la relatividad, las partículas sin masa libres siempre deben extenderse a la velocidad de la luz. Sin embargo, este no es el caso en los estados sólidos:" Aunque nuestros fermiones Weyl no tienen masa,su velocidad es extremadamente baja ", dice Bühler-Paschen. El estado sólido les presta en cierta medida su propia" velocidad de la luz "fija. Esto es inferior a 1000 m / s, es decir, solo alrededor de tres millonésimas de la velocidad de la luz en unvacío ". Como tales, son aún más lentos que los fonones, análogos a la onda de agua en estado sólido, y esto los hace detectables en nuestro experimento".
en busca de nuevos efectos
Al mismo tiempo que se realizaban estas mediciones en TU Wien, se llevaban a cabo investigaciones teóricas bajo el liderazgo de Qimiao Si en la Universidad de Rice en Texas; Bühler-Paschen era un profesor visitante allí en ese momento, que parecíaa la pregunta de cómo podrían existir estos fermiones de Weyl en un material fuertemente correlacionado. Esta combinación de experimento y teoría produjo así una imagen concluyente del nuevo efecto, que ahora permite que se realicen nuevas investigaciones.
Las cuasipartículas recientemente detectadas son interesantes por varias razones: "Incluso si los fermiones de Weyl se encontraron inicialmente en otros materiales, es mucho más fácil controlar el efecto en nuestros materiales fuertemente correlacionados", dice Silke Bühler-Paschen. "Debido adebido a su baja energía, es significativamente más fácil influir en ellos utilizando parámetros como la presión o un campo magnético externo ". Esto significa que los fermiones Weyl también se pueden usar para aplicaciones tecnológicas".
Los fermiones de Weyl solo se dispersan en el material en un grado mínimo, lo que significa que pueden conducir corriente eléctrica casi sin pérdida; esto es de gran importancia para la electrónica. También es probable que sean extremadamente interesantes para el campo de la espintrónica, unavance en electrónica donde no solo se usa la carga eléctrica de las partículas sino también su giro. Los fermiones de Weyl serán de interés aquí debido a su giro particularmente robusto. La partícula también debería ser especialmente adecuada para su uso en computadoras cuánticas ".un desarrollo realmente emocionante ", dice Bühler-Paschen.
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Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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