Liknar en magnet som alltid har både syd- och nordpolen, ett slags speciella kvasipartiklar i kondenserad materia som kallas "Weyl Fermions" dyker alltid upp i par med motsatt kiralitet. Det hade inte funnits någon experimentell rapport om att oparade Weyl -punkter finns i kondenserat material tills nyligen, en stadsuniversitet i Hongkong (CityU) fysiker observerade den första oparade singulära Weyl magnetiska monopolen i en specifik typ av enda kristallint fast ämne.

Forskningsarbetet leddes av Dr. Ma Junzhang, Biträdande professor vid institutionen för fysik vid CityU och samarbetande forskare från École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) och Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz. Den publicerades i Naturkommunikation , med titeln "Observation av en singulär Weyl -punkt omgiven av laddade nodalväggar i PtGa."

"Vår grupp är den första att se och registrera en oparad Weyl magnetisk monopol i experimentet. Fynden öppnar en ny väg för att söka efter bulk topologiska egenskaper hos oparade Weyl magnetiska monopoler i fasta ämnen, som främjar förståelsen av grundläggande topologisk fysik, och tillämpningen av Weyl -halvmetaller i spintronik, "Dr Ma sa.

Weyl -punkter:liknande egenskaper med magnetiska monopoler

I den verkliga världen, en magnet måste ha syd- och nordpolen samtidigt. Moderna fysiksteorier tyder på att det finns en magnetisk monopol, dvs en kvantelementenhet med bara en pol. Men hittills, det har inte funnits några experimentella eller observationsbevis för att det finns magnetiska monopoler. Att söka efter magnetisk monopol har varit en dröm för det moderna fysiska samhället.

Liknande, Weylpunkter i kondenserat material (inklusive halvmetallkristall) har liknande egenskaper som de magnetiska monopolerna. "Därför, Weylpunkter i kondenserat material kallas också Weyl magnetiska monopoler, "förklarade doktor Ma.

Men det finns en skillnad för Weyl -poäng, baserat på många fysikers uppfattningar. Det är allmänt troligt att förekomsten av en oparad Weyl magnetisk monopol i fasta ämnen är omöjlig på grund av den välkända Nielsen-Ninomiya no-go satsen. Som ett resultat, Man tror att Weyl magnetiska monopoler i halvmetaller alltid ska visas i par med motsatta laddningar i 3D -momentum. Och monopolernas utsprång på enkristallens yta bör alltid vara anslutna med ett slags ledande tillstånd som kallas Fermi -bågar, som fungerar som en elektronisk kanal som elektroner kan transportera genom den.

Inget framgångsrikt experimentellt prejudikat

Betydande teoretiska ansträngningar har ägnats åt att söka efter oparade Weyl-monopoler utöver detta no-go-teorem, men inga framgångsrika experiment rapporterades tidigare. Många forskare trodde att en sådan "oparad substans" var svår att existera i enstaka kristallina fasta ämnen.

Men doktor Ma trodde inte det. Han sökte tusentals föreningar i databasen och upptäckte slutligen att några dussintals av dem är de potentiella kandidaterna som är värd för oparade Weyl -monopoler. Hans förslag stöddes av teoretiska kollegor Dr. Wu Quansheng, och professor Oleg Yazyev från EPFL. Efter det, ett team under ledning av Dr Ma och professor Shi Ming från PSI startade en serie fotoemissionsexperiment vid den schweiziska ljuskällan på PSI och bevisade framgångsrikt de främsta idéerna.

Kombinera vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) -experiment med densitetsfunktionella teoriberäkningar, forskargruppen avslöjade för första gången att oparade Weyl -monopoler kan dyka upp i olika föreningar. När han studerade den lovande kandidaten, halvmetallkristall platina gallium (PtGa), forskargruppen identifierade 37 Weyl -monopoler i momentumutrymmet, och fick reda på att systemet är värd för udda nummer 37 Weyl -poäng med antingen +1 laddning eller -1 laddning som förhindrar att de paras ihop.

De demonstrerade också experimentellt för första gången att oparad magnetisk monopol kan existera i fasta momentum utan ytlig Fermibåge. Geometrin för den oparade Weyl -punkten skiljer sig ganska mycket från den normala Weyl -halvmetallens, så fastigheterna förväntas förändras avsevärt i denna nya typ av material, som definierar en ny studieriktning.

En ny forskningsinriktning

Dr Ma tror att den banbrytande upptäckten av oparad Weyl magnetisk monopol kan ge ny inblick i den grundläggande fysiken för Weyl magnetisk monopol i kondenserat material. Och de speciella egenskaperna hos Weyl magnetisk monopol, såsom hög elektronisk rörlighet, speciellt svar på ett yttre magnetfält och låg värmefrekvens, kan göra den till en bra kandidat för spintroniska datoranordningar som kvantberäkning och neuromorf beräkning i framtiden.