Att studera egenskaper hos grundläggande partiklar i kondenserade system är ett lovande tillvägagångssätt för kvantefältteori. Kvaspartiklar erbjuder möjlighet att observera partikelegenskaper som inte har någon insikt i elementära partiklar. I den aktuella studien, en internationell forskargrupp ledd av Angel Rubio från Max Planck-institutet för materiens struktur och dynamik vid CFEL i Hamburg och universitetet i Baskien i Donostia-San Sebastián förutspådde hur laserljus kan användas för att skapa Weyl fermionstater i 3 -D Dirac -material och växla mellan Weyl -halvmetall, Dirac semimetall och topologisk isolator anger ultrasnabba tidsskalor. Förutom dess relevans för grundläggande kvantfysik, Resultaten kan leda till applikationer för ultrasnabb omkoppling av materialegenskaper. Resultaten publiceras online i tidskriften Naturkommunikation i dag.

I standardmodellen för partikelfysik, de grundläggande partiklarna som utgör all materia omkring oss-elektroner och kvarkar-är så kallade fermioner, uppkallad efter den berömda italienske fysikern Enrico Fermi. Kvantteorin förutsäger att elementära fermioner kan existera som tre olika slag:Dirac, Weyl, och Majorana fermioner, uppkallad efter Paul Dirac, Hermann Weyl, och Ettore Majorana. Dock, trots att det förutspåddes för nästan hundra år sedan, av dessa tre typer av partiklar har endast Dirac fermioner observerats som elementära partiklar i naturen hittills. Med upptäckten av grafen 2004, dock, man insåg att beteendet hos relativistiska fria partiklar kunde observeras i materialens elektroniska egenskaper. Detta väckte sökandet efter material där dessa grundläggande partiklar kunde observeras och först förra året upptäcktes de första materialen som rymmer Weyl fermioner. Medan något känt material bara är värd för en typ av dessa fermioner i dess jämviktstillstånd, i föreliggande arbete demonstreras hur man kan omvandla fermionnaturen inom specifika material med hjälp av skräddarsydda ljuspulser.

Första observation av Dirac fermioner i grafen

Observationen av Dirac fermioner i grafens egenskaper härrör från en komplex interaktion mellan det stora antalet elektroner och joner som utgör materialet. Även om varje enskild elektron interagerar med sina omgivande joner och elektroner via elektrostatiska krafter, det specifika mönstret av koljoner i grafens bikakeskiktstruktur får elektronerna att bete sig kollektivt som masslösa, fria fermioner - Dirac fermioner. Dessa partiklar bildar kooperativt nya partiklar med olika egenskaper kallas kvasipartiklar. Jakten på andra material som är värd för kvaspartiklar som beter sig som grundläggande partiklar har således fokuserat på kristallstrukturen av material hittills.

Skapa laserdrivna topologiska tillstånd

Det har nu hittats, dock, att genom att bestråla ett material med en laser, det är också möjligt att kombinera en kvasipartikel med laserfältets fotoner för att bilda en ny kvasipartikel som, på nytt, kan bete sig fundamentalt annorlunda. Särskilt, kopplingen till fotoner kan påverka topas av kvasipartiklar. Topologi är en egenskap hos partiklarna som leder till säregna egenskaper, till exempel metalliska kirala kanttillstånd som bildar en kollisionsfri envägskvantväg längs kanten av en topologisk isolator. Denna kiralitet, eller skicklighet, är topologisk i den meningen att höger- och vänsterhänta kiraliteter är diskreta tillstånd som inte kontinuerligt kan deformeras till varandra. Nobelpriset i fysik 2016 tilldelades just Michael Kosterlitz, Duncan Haldane, och David Thouless för upptäckten av sådana topologiska faser av materia.

Dirac och Weyl fermioner skiljer sig åt genom sin chiralitet. Precis som våra vänstra och högra händer, Weyl fermioner förekommer i par, där en partikel är en speglad version av den andra. De två partnerna är nästan identiska, men de kan inte läggas över varandra. Dirac fermioner, däremot, har inte den här egenskapen.

Ett sätt att skapa kiralitet i ett material är att driva det med en laserstråle. "Det insågs för ungefär tio år sedan att den så kallade Floquet-teorin-en teori för laserdrivna system som oscillerar regelbundet i tid-gör att vi kan konstruera parametrar och symmetrier i material som kan ändra deras topologi, "förklarar Michael Sentef, Emmy Noether gruppledare vid MPSD i Hamburg. Att framkalla kiralitet till ett Dirac fermionmaterial genom att kombinera dessa fermioner med fotoner från laserstrålen för att bilda nya kvasipartiklar kan därmed förvandla det till ett Weyl fermionmaterial.

I det nuvarande arbetet, teamet runt Angel Rubio använde beräkningssimuleringar på hög nivå av materialegenskaper för att visa hur denna optiska transformation från Dirac fermioner till Weyl fermioner kan uppnås i ett verkligt material-Na ₃ Bi. Detta material är en så kallad tredimensionell Dirac-halvmetall. Den består av lager av natrium- och vismutatomer som ordnar sig för att bilda en tredimensionell ekvivalent av grafen. Denna tredimensionalitet krävs för att omvandlingen av Dirac till Weyl fermioner ska ske. Det kan inte hända i ett tvådimensionellt ark med grafen.

"Den avgörande utmaningen i detta arbete var att ta idéerna om Floquet-teori och topologi från den konceptuella nivån för modellsystem till verkliga materialvärlden och att visa att sådana topologiska fasövergångar som inte är i jämvikt kan förverkligas i ett materialvetenskapligt sammanhang, säger Hannes Hübener, Marie Curie -stipendiat vid universitetet i Baskien i San Sebastián och huvudförfattare till verket.

Från topologisk stabilitet till ultrasnabb elektronik

Särskilt, författarna kunde visa hur topologiskt skydd för Weyl fermions handhändighet uppstår och kan göras mer robust ju starkare laserfältet är. "Vi insåg i våra simuleringar att när vi svängde upp fältet, de två olika höger- och vänsterhänta Weyl-fermionerna rörde sig längre ifrån varandra i det så kallade momentumutrymmet, där kvasipartiklar lever, "säger Sentef." Eftersom höger- och vänsterhänta partiklar är antipartiklar av varandra, de måste gå ihop för att förstöra varandra. Separationen skyddar alltså dem från att förstöras, vilket innebär att vi uppnår topologisk stabilitet för dessa kvasipartiklar. "

De teoretiska resultaten tyder på att experimentalister ska kunna mäta transformationen mellan Dirac och Weyl fermioner i ultrasnabba laserexperiment. Ett sätt att göra detta är att använda den fotoelektriska effekten för att mata ut elektroner från det laserdrivna materialet, en teknik som kallas pumpsond-fotoemissionsspektroskopi, som finns tillgänglig på Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter under Otto-Hahn gruppledare Isabella Gierz och direktör Andrea Cavalleri.

Angel Rubio, Direktör för MPSD -teoriavdelningen, tillägger:"Detta arbete öppnar spännande nya vägar för att manipulera egenskaperna hos material och molekyler med hjälp av grundläggande ljus-materia-interaktion. Det banar väg för att i slutändan kontrollera deras beteende på nanoskala och med ultrasnabba växlingscykler." Forskarna hoppas till och med att det kan finnas ett sätt att stabilisera de ljusinducerade tillstånden under längre tider samtidigt som de behåller möjligheten att byta dem vid terahertz eller ännu snabbare frekvenser. Detta kan möjliggöra ny ultrasnabb elektronik för supersnabba datorer i framtiden.