På TU Wien nyligen, partiklar kända som "Weyl-fermioner" upptäcktes i material med stark interaktion mellan elektroner. Precis som lätta partiklar, de har ingen massa men ändå rör de sig extremt långsamt.

Det var stor spänning redan 2015, när det först var möjligt att mäta dessa "Weyl-fermioner" – besynnerliga, masslösa partiklar som hade förutspåtts nästan 90 år tidigare av tysk matematiker, läkare och filosof, Hermann Weyl. Nu, ännu en gång, det har skett ett genombrott inom detta forskningsområde, med forskare vid TU Wien som de första att framgångsrikt detektera Weyl-partiklar i starkt korrelerade elektronsystem – dvs. material där elektronerna har en stark växelverkan med varandra. I material som detta, Weyl-partiklarna rör sig extremt långsamt, trots att man inte har någon mässa. Upptäckten bör nu öppna dörren till ett helt nytt område inom fysiken, och möjliggöra hittills oanade materiell-fysiska effekter.

Kvasipartiklar:endast möjligt i fast tillstånd

Efter att läkaren Paul Dirac hade kommit fram till sin Dirac-ekvation 1928, som kan användas för att beskriva beteendet hos relativistiska elektroner, Hermann Weyl hittade en speciell lösning för denna ekvation – nämligen för partiklar med noll massa, eller 'Weyl fermioner'. Neutrinon ansågs ursprungligen vara en sådan masslös Weyl-partikel, tills det upptäcktes att det verkligen har massa. De mystiska Weyl-fermionerna var, faktiskt, upptäcktes för första gången 2015; de visade sig inte vara fria partiklar som neutrinon, som kan röra sig genom universum oberoende av resten av världen, utan snarare "kvasipartiklar" i fast tillstånd.

"Kvasipartiklar är inte partiklar i konventionell mening, utan snarare excitationer av ett system som består av många interagerande partiklar, " förklarar Prof. Silke Bühler-Paschen från Institutet för fasta tillståndets fysik vid TU Wien. I någon mening, de liknar en våg i vatten. Vågen är inte en vattenmolekyl, snarare är det baserat på många molekylers rörelse. När vågen rör sig framåt, det betyder inte att partiklarna i vattnet rör sig med den hastigheten. Det är inte vattenmolekylerna själva, men deras excitation i vågform som sprider sig.

Dock, även om kvasipartiklarna i fast tillstånd är resultatet av ett samspel mellan många partiklar, ur ett matematiskt perspektiv kan de beskrivas på samma sätt som en fri partikel i ett vakuum.

En "ljushastighet" på bara 100 m/s

Det anmärkningsvärda med experimentet, utförd av Sami Dzsaber och andra medlemmar i forskargruppen för kvantmaterial ledd av Silke Bühler-Paschen vid TU Wien, är det faktum att Weyl-partiklarna upptäcktes i ett starkt korrelerat elektronsystem. Denna typ av material är av särskilt intresse för fast tillståndets fysik:deras elektroner kan inte beskrivas som separata från varandra; de är starkt sammanlänkade och det är just detta som ger dem extraordinära egenskaper, från supraledning vid hög temperatur till nya typer av fasövergångar.

"De starka interaktionerna i sådana material leder vanligtvis, via den så kallade Kondo-effekten, till partiklar som beter sig som om de hade en extremt stor massa, " förklarar Sami Dzsaber. "Så det var häpnadsväckande för oss att upptäcka Weyl-fermioner med en massa på noll i denna speciella typ av material." Enligt relativitetslagarna, fria masslösa partiklar måste alltid spridas med ljushastighet. Detta är, dock, inte fallet i fasta tillstånd:"Även om våra Weyl-fermioner inte har någon massa, deras hastighet är extremt låg, " säger Bühler-Paschen. Det fasta tillståndet ger dem sin egen fasta "ljushastighet" i viss utsträckning. Detta är lägre än 1000 m/s, dvs bara runt tre miljondelar av ljusets hastighet i ett vakuum. "Som sådan, de är till och med långsammare än fononer, analogen till vattenvågen i fast tillstånd, och detta gör dem upptäckbara i vårt experiment."

På jakt efter nya effekter

Samtidigt som dessa mätningar gjordes vid TU Wien, teoretiska undersökningar genomfördes under ledning av Qimiao Si vid Rice University i Texas – Bühler-Paschen var gästprofessor där vid den tiden – som tittade på frågan om hur dessa Weyl-fermioner ens kunde existera i ett starkt korrelerat material. Denna kombination av experiment och teori gav alltså en avgörande bild av den nya effekten, som nu möjliggör ny forskning.

De nyupptäckta kvasipartiklarna är intressanta av ett antal anledningar:"Även om Weyl-fermioner från början hittades i andra material, det är mycket lättare att kontrollera effekten i våra starkt korrelerade material, " säger Silke Bühler-Paschen. "På grund av deras låga energi, det är betydligt lättare att påverka dem med hjälp av parametrar som tryck eller ett externt magnetfält." Detta innebär att Weyl-fermionerna även kan användas för tekniska tillämpningar.

Weyl-fermionerna är endast dispergerade i materialet i minimal utsträckning, vilket innebär att de kan leda elektrisk ström nästan utan förlust – detta är av stor betydelse för elektroniken. De kommer sannolikt också att vara extremt intressanta för spintronikområdet, ett framsteg inom elektronik där inte bara partiklarnas elektriska laddning utan även deras spin används. Weylfermioner kommer att vara av intresse här på grund av deras särskilt robusta spinn. Partikeln bör också vara särskilt väl lämpad för användning i kvantdatorer. "Det här är en riktigt spännande utveckling, säger Bühler-Paschen.