Kvaspartiklar som beter sig som masslösa fermioner, känd som Weyl fermioner, har varit i centrum för en rad spännande fynd inom kondensmaterialets fysik under de senaste åren. Gruppen av fysiker Sebastian Huber vid ETH Zürich rapporterar nu experiment där de fick grepp om en av de definierande egenskaperna hos Weyl fermioner - deras kiralitet.

"I mitt jobb, Jag har alltid försökt att förena det sanna med det vackra; när jag var tvungen att bestämma för en av dem, Jag har alltid valt det som var vackert. "Detta citat pryder väggen i en nisch i Hermann Weyl -rummet i huvudbyggnaden i ETH Zürich, bakom en skulptur av den tyska matematikern, fysikern och filosofen Hermann Weyl, som var professor för högre matematik vid ETH 1913 till 1930.

Under tiden, Weyl producerade en relativistisk vågekvation för att beskriva masslösa spin-1/2-partiklar, som nu är kända som Weyl fermioner. Rapporterar idag i tidningen Naturfysik , Valerio Peri och hans kollega Marc Serra-Garcia i gruppen Sebastian Huber vid Institute for Theoretical Physics i ETH Zürich, tillsammans med Roni Ilan från Tel-Aviv University (Israel), rapportera en experimentell studie där de har observerat ett spännande och begreppsmässigt långtgående inslag i Weyls hederliga teori:ett möjligt bakgrundsfält som kopplar olika till Weyl fermioner av motsatt kiralitet.

Masslösa fermioner har aldrig observerats i naturen. I dag, vi vet att Weyl fermioner framstår som kollektiva upphetsningar, så kallade kvasipartiklar, i många kroppssystem. Detta realiserades experimentellt 2015 i ett kristallint material, där Weyl fermioner framstår som specifika punkter i den elektroniska bandstrukturen. Sådana Weyl -punkter har också visat sig existera i konstruerade periodiska strukturer som interagerar med klassiska vågor, i synnerhet med elektromagnetiska vågor (i fotoniska kristaller) och med akustiska vågor (i fononiska kristaller). Peri och medarbetare antog en fononisk plattform, bestående av 4800 noggrant utformade, 3D-tryckta enhetsceller arrangerade i en 3D-struktur (bilden ovan), där de interagerar med luftburna ljudvågor.

Sådana akustiska metamaterial har varit kända som lämpliga plattformar för att utforska Weyl -fysik, men ETH -forskarna lade till en viktig snurr i historien. De konstruerade ett bakgrundsfält som interagerar med Weyl -fermionerna på ett sätt som liknar hur ett magnetfält interagerar med elektroniska excitationer i en kristall. Eftersom ljudvågor inte bär någon laddning, och är därför inerta för magnetfält, Peri et al. var tvungna att hitta andra sätt att manipulera kvasipartiklarna i deras system. De gjorde det genom att något variera geometrin hos enhetscellerna, så att den rumsliga plats där Weyl -punkterna uppträder (i momentumutrymme) varierade i hela provet. Denna modifiering gör att deras akustiska system beter sig som ett elektroniskt system nedsänkt i ett magnetfält - med en viktig skillnad. De utformade bakgrundsfältet så att det kopplar olika till de två typerna av Weyl fermioner:de med inneboende vinkelmoment (snurr) i linje med deras linjära momentum, och de med parallellinriktning. Med andra ord, fältet kopplar olika till partiklar beroende på deras kiralitet.

Förverkligandet av ett bakgrundsfält som skiljer kiralitet är ett viktigt steg, när det går till hjärtat av varför Weyl fermioner är så spännande i partikelfysik. När fermioner av olika kiralitet kan manipuleras oberoende av varandra, då kan klassiska bevarande -lagar brytas på kvantnivå. Till exempel, avgiften för fermioner av en viss kiralitet bevaras inte. Sådant beteende ger upphov till den så kallade kirala anomalin, som i sin tur kan vara nyckeln till att förstå centrala drag i standardmodellen för partikelfysik.

Peri och kollegor har nu visat att det finns olika kirala kanaler, ger dem oberoende tillgång till Weyl fermioner av motsatt kiralitet i ett bulk system. (Relaterade resultat har tidigare rapporterats för elektroniska system i två dimensioner.) Efter att ha insett ett sådant beteende djupt rotat i teorin om högenergifysik med lågenergiljudvågor som interagerar med ett kondensationssystem lovar en mångsidig plattform för vidare utforskning av fenomen relaterade till Weyl fermioner som teoretiskt har förutsetts, och att ta ytterligare steg mot att utnyttja sådant beteende inom tekniska områden, allt från akustik till elektronik - utan att förlora ur sikte den underliggande skönheten som väglett Hermann Weyl.