En särskild typ av elementär partikel, Weyl fermioner, upptäcktes första gången för några år sedan. Deras specialitet:de rör sig genom ett material på ett välordnat sätt som praktiskt taget aldrig låter dem kollidera med varandra och därmed är mycket energieffektiva. Detta öppnar spännande möjligheter för framtidens elektronik. Tills nu, Weyl fermioner hade bara hittats i vissa icke-magnetiska material. Nu dock för första gången, forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har experimentellt bevisat sin existens i en annan typ av material:en paramagnet med inneboende långsamma magnetiska fluktuationer. Detta fynd visar också att det är möjligt att manipulera Weyl -fermionerna med små magnetfält, möjligen möjliggör användning av dem i spintronics, en lovande utveckling inom elektronik för ny datorteknik. Forskarna publicerade sina fynd i den vetenskapliga tidskriften Vetenskapliga framsteg .

Bland de tillvägagångssätt som kan bana väg för framtidens energieffektiva elektronik, Weyl fermioner kan spela en spännande roll. Hittade experimentellt bara inuti material som så kallade kvasipartiklar, de beter sig som partiklar som inte har någon massa. Teoretiskt förutspådd 1929 av matematikern Hermann Weyl, deras experimentella upptäckt av forskare vid PSI kom först 2015. Hittills har Weyl fermioner hade bara observerats i vissa icke-magnetiska material. Nu dock ett team av forskare vid PSI tillsammans med forskare i USA, Kina, Tyskland och Österrike hittade dem också i ett specifikt paramagnetiskt material. Denna upptäckt kan föra en möjlig användning av Weyl fermioner i framtida datorteknik ett steg närmare.

Letar efter långsamma magnetiska fluktuationer

"Den svåra delen, "säger Junzhang Ma, postdoktor vid PSI och första författare till den nya studien, "var att identifiera ett lämpligt magnetiskt material för att leta efter dessa Weyl -fermioner." I åratal, även om det accepterade teoretiska antagandet hade varit att Weyl fermioner i vissa magnetiska material kunde existera av sig själva, experimentellt bevis på detta saknades fortfarande trots stora ansträngningar från flera forskargrupper världen över. Teamet av forskare vid PSI fick då tanken att rikta uppmärksamheten mot en specifik grupp magnetiska material:parametrar med långsamma magnetiska fluktuationer.

"I specifika paramagnetiska material, dessa inneboende magnetiska fluktuationer kan räcka för att skapa ett par Weyl -fermioner, "säger Ming Shi, som är professor i samma forskargrupp som Ma:the Spectroscopy of Novel Materials Group. "Men vi förstod att fluktuationerna måste vara tillräckligt långsamma för att Weyl -fermionerna skulle dyka upp. Från och med nu, Att identifiera vilket material som kan ha tillräckligt långsamma magnetiska fluktuationer blev vår främsta utmaning. "

Eftersom den magnetiska fluktuationernas karakteristiska tid inte är en egenskap som kan kontrolleras i ett referensverk för varje material, det tog forskarna lite tid och ansträngning att hitta ett lämpligt material för deras experiment. Modellanalys i teoretisk fysik också gjord på PSI hjälpte dem att identifiera en lovande kandidat med långsamma magnetiska fluktuationer:materialet med den kemiska notationen EuCd ₂ Som ₂ :Europium-kadmium-arsenik. Och verkligen, i detta paramagnetiska material, forskarna kunde experimentellt bevisa Weyl fermioner.

Mätningar med Muons och röntgen

Forskarna använde två av PSI:s stora forskningsanläggningar för sina experiment:För det första, de använde schweiziska Muon Source (SμS) för att mäta och bättre karakterisera magnetiska fluktuationer i deras material. Senare, de visualiserade Weyl-fermionerna med en röntgenspektroskopi-metod vid Swiss Light Source SLS.

"Det vi har bevisat här är att Weyl fermioner kan existera i ett större materialutbud än man tidigare trott, "säger Junzhang Ma. Forskarnas forskning breddar således avsevärt materialutbudet som anses vara livskraftigt i sökandet efter material som är lämpligt för framtidens elektronik. Inom ett utvecklingsområde som kallas spintronics, Weyl fermioner kan användas för att transportera information med mycket högre effektivitet än vad elektroner uppnår i dagens teknik.