Forskare från teoriavdelningen vid MPSD i Hamburg och North Carolina State University i USA har visat att det efterlängtade magnetiska Weyl-halvmetalliska tillståndet kan induceras av ultrasnabba laserpulser i en tredimensionell klass av magnetiska material som kallas pyrochlore iridates . Deras resultat, som har publicerats i Naturkommunikation , kan möjliggöra höghastighetsmagneto-optiska topologiska omkopplare för nästa generations elektronik.

Alla kända elementära partiklar kan sorteras i två kategorier:bosoner och fermioner. Bosoner bär krafter som magnetkraften eller gravitationen, medan fermioner är materiepartiklarna, som elektroner. Teoretiskt förutspåddes att fermioner själva kan komma i tre arter, uppkallad efter fysikerna Dirac, Weyl och Majorana.

Elektroner i ledigt utrymme är Dirac fermioner, men i fasta ämnen, de kan ändra sin natur. I det atomtunna kolmaterialet grafen, de blir masslösa Dirac fermioner. I andra nyligen upptäckta och tillverkade material, de kan också bli Weyl och Majorana fermioner, vilket gör sådant material intressant för framtida teknik som topologiska kvantdatorer och andra nya elektroniska enheter.

I kombination med en våg av bosoner, nämligen fotoner i en laser, fermioner kan omvandlas från en typ till en annan, som föreslagits av MPSD -teoretiker 2016. Nu, en ny studie som leds av Ph.D. studenten Gabriel Topp i Emmy Noether -gruppen av Michael Sentef föreslår att elektronspinn kan manipuleras med korta ljuspulser för att skapa en magnetisk version av Weyl fermioner från en magnetisk isolator. Baserat på en tidigare studie ledd av MPSD postdoktoral forskare Nicolas Tancogne-Déjean och teoridirektör Angel Rubio, forskarna använde tanken på laserstyrd elektron-elektronavstötning för att undertrycka magnetism i ett pyrochlor-iridatmaterial där elektronspinn är placerade på ett gitter av tetraeder.

På detta galler, elektron snurrar, som små kompassnålar, peka all-in till tetraederns centrum och all-out i den närliggande. Detta all-in, heltäckande kombination, tillsammans med kompassnålarnas längd, leder till isolerande beteende i materialet utan ljusstimulering. Dock, moderna datasimuleringar på stora datorkluster avslöjade att när en kort ljuspuls träffar materialet, nålarna börjar rotera på ett sådant sätt att, i genomsnitt, de ser ut som kortare nålar med mindre stark magnetisk ordning. Gjort på rätt sätt, denna minskning av magnetism leder till att materialet blir halvmetalliskt med Weyl fermioner som framträder som de nya bärarna av elektricitet i det.

"Detta är ett riktigt bra steg framåt för att lära oss hur ljus kan manipulera material på ultrakorte tidsskalor, "säger Michael Sentef. Gabriel Topp säger, "Vi blev förvånade över det faktum att även en för stark laserpuls som borde leda till ett fullständigt undertryckande av magnetism och en standardmetall utan Weyl fermioner kan leda till ett Weyl-tillstånd. Detta beror på att på mycket korta tidsskalor, materialet har inte tillräckligt med tid för att hitta en termisk jämvikt. När allt skakar fram och tillbaka, det tar lite tid tills den extra energin från laserpulsen fördelas jämnt mellan alla partiklar i materialet. "

Forskarna är optimistiska att deras arbete kommer att stimulera till mer teoretiskt och experimentellt arbete i denna riktning. "Vi är bara i början av att lära oss att förstå de många vackra sätten som ljus och materia kan kombinera för att ge fantastiska effekter och vi vet inte ens vad de kan vara idag, "säger Angel Rubio." Vi arbetar mycket hårt med en engagerad och mycket motiverad grupp begåvade unga forskare vid MPSD för att utforska dessa nästan obegränsade möjligheter så att samhället kan dra nytta av våra upptäckter. "