I en studie publicerad i Vetenskapliga rapporter , en grupp forskare som är anslutna till São Paulo State University (UNESP) i Brasilien beskriver ett viktigt teoretiskt fynd som kan bidra till utvecklingen av kvantberäkning och spintronik (spinnelektronik), en framväxande teknik som använder elektronspinn eller vinkelmoment snarare än elektronladdning för att bygga snabbare, effektivare enheter.

Studien stöddes av São Paulo Research Foundation — FAPESP. Dess främsta utredare var Antonio Carlos Seridonio, professor i UNESP:s institution för fysik och kemi vid Ilha Solteira, São Paulo delstat. Hans doktorander Yuri Marques, Willian Mizobata och Renan Oliveira deltog också.

Forskarna observerade att molekyler med kapacitet att koda information produceras i system som kallas Weyl-semimetaller när tidsomvändningssymmetri bryts.

Dessa system kan betraktas som tredimensionella versioner av grafen och är associerade med mycket speciella typer av föremål som kallas Weyl fermioner. Dessa är masslösa, kvasirelativistisk, kirala partiklar-kvasirelativistiska eftersom de rör sig på samma sätt som fotoner (de grundläggande "partiklarna" av ljus) och beter sig som om de vore relativistiska, kontrakteringsutrymme och vidgningstid.

Termen "kiral" gäller för ett objekt som inte kan läggas över på sin spegelbild. En sfär är achiral, men våra vänstra och högra händer är kirala. När det gäller Weyl fermioner, kiralitet får dem att bete sig som magnetiska monopoler, till skillnad från alla magnetiska föremål i den triviala världen, som beter sig som dipoler.

Weyl fermioner föreslogs 1929 av tysk matematiker, fysikern och filosofen Hermann Weyl (1885-1955) som en möjlig lösning på Diracs ekvation. Formulerad av den brittiske teoretiska fysikern Paul Dirac (1902-1984), denna ekvation kombinerar principerna för kvantmekanik och särskild relativitet för att beskriva elektroners beteende, kvarker och andra föremål.

Weyl fermioner är hypotetiska enheter och har aldrig observerats fritt i naturen, men studier som utfördes 2015 visade att de kan vara grunden för att förklara vissa fenomen.

Liknar Majorana fermioner, som också löser Diracs ekvation, Weyl fermioner manifesterar sig som kvasipartiklar i molekylsystem av kondenserad materia.

Detta fält, i vilken högenergifysik och kondenserad fysik konvergerar, har mobiliserat stora forskningsinsatser, inte bara på grund av de möjligheter det ger för utvecklingen av grundvetenskap utan också för att dessa kvasipartiklers särdrag kan en dag användas i kvantberäkning för att koda information.

Den nya studien som genomfördes vid UNESP Ilha Solteira avancerade i den riktningen. "Vår teoretiska studie fokuserade på molekyler som består av vitt separerade atomer. Dessa molekyler skulle inte vara livskraftiga utanför Weyl -sammanhanget eftersom avståndet mellan atomer hindrar dem från att bilda kovalenta bindningar och därmed från att dela elektroner. Vi visade att chiraliteten hos elektronspridning i Weyl halvmetaller leder till bildandet av magnetiska kemiska bindningar, "Berättade Seridonio.

Exempel på Weyl -halvmetaller inkluderar tantalarsenid (TaA), niobiumarsenid (NbA) och tantalfosfid (TaP).

"I dessa material, Weyl fermioner spelar en analog roll som elektronernas i grafen. Dock, grafen är ett kvasi-2-D-system, medan dessa material är helt 3D, "Sa Seridonio.

Den teoretiska studien visade att Weyl fermioner i dessa system framstår som splittringar i Dirac fermioner, en kategori som omfattar alla materialpartiklar i den så kallade standardmodellen, med det möjliga undantaget för neutrinoer.

Dessa klyvningar inträffar vid punkter där ledningsbandet (det utrymme i vilket fria elektroner cirkulerar) berör valensbandet (det yttersta lagret av elektroner i atomer).

"Ett symmetriavbrott gör denna punkt, Dirac -noden, delas upp i ett par Weyl -noder med motsatta kiraliteter. I vår studie, vi bröt tidsomvändningssymmetrin, "Sa Seridonio.

Tidsomvändningssymmetri innebär i huvudsak att ett system förblir detsamma om tidsflödet vänds. "När denna symmetri bryts, den resulterande molekylen har spinnpolariserade orbitaler. "

I vanliga molekylsystem, spin-up elektroner och spin-down elektroner är jämnt fördelade i elektronmolnet. Detta är inte fallet i Weyl -system.

"Resultatet är en molekyl där spin-up och spin-down elektronmolnen är rumsligt olika. Denna egenskap kan användas för att koda information eftersom molekylen kan associeras med det binära systemet, som är biten eller grundenheten för information, "Sa Seridonio.