Postulują istnienie fermionu Weyla typu II

Międzynarodowa grupa badawcza postuluje istnienie nowej cząstki zwanej fermionem Weyla typu II. Ma ona być obecna w metalach. Gdy metale zawierające tę cząstkę zostaną poddane działaniu pola magnetycznego, stają się izolatorami dla prądu płynącego w jednym kierunku, a przewodnikami dla przyłożonego w innym. Takie zachowanie można bardzo szeroko wykorzystać, budując energooszczędne urządzenia czy wydajne tranzystory.

Uczeni przewidują, że fermion Weyla typu II istnieje w ditellurku wolframu (WTe₂).

Fermion Weyla typu II to kuzyn fermiony Weyla, cząstki znanej z kwantowej teorii pola. Charakteryzuje się jednak odmienną odpowiedzią na obecność pola magnetycznego, gdyż w niektórych jego kierunkach jest niemal idealnym przewodnikiem, w innych zaś - izolatorem. W badaniach nad fermionem Weyla typu II brali udział uczeni z ETH Zurich oraz Instytutu Fizyki Chińskiej Akademii Nauk, pracujący pod kierunkiem naukowców z Princeton University.

Fizyk Hermann Weyl, który przed 85 laty pracował nad teorią kwantową, nie domyślił się istnienia wspomnianego fermionu, gdyż naruszał on symetrię Lorentza, która jednak nie ma zastosowania w materiałach, w których pojawia się nowy fermion.
Zgodnie z obecnie obowiązującymi teoriami ciała stałe są zbudowane z atomów, które z kolei składają się z jąder otoczonych elektronami. Jako, że pomiędzy elektronami dochodzi do olbrzymiej liczby interakcji nie potrafimy na polu mechaniki kwantowej rozwiązać wielu problemów związanych z ruchem elektronów. Używa się zatem uproszczonych metod opisu, w których elektrony w ciałach stałych są niewchodzącymi ze sobą w interakcje kwazicząstkami, które poruszają się w polu stworzonym przez naładowane jony i elektrony. Te kwazicząstki, zwane elektronami Blocha, są jednocześnie fermionami. Można je zaś rozważać, jako cząstki elementarne ciała stałego. W ten sposób kryształ staje się 'wszechświatem' posiadającym własne cząstki elementarne.

W ostatnich latach odkryto, że takie 'wszechświaty' mogą zawierać inne cząstki znane z kwantowej teorii pola. Dotychczas odkryto w nich fermiony Diraca, Majorany oraz Weyla. Ich odnalezienie pozwoliło na prowadzenie stosunkowo tanich badań z dziedziny kwantowej teorii pola przy użyciu kryształów materii skondensowanej. Teraz naukowcy twierdzą, że w kryształach WTe2 oraz, być może, ditellurku molibdenu (MoTe2), istnieje fermion Weyla typu II. Nasza wyobraźnia prowadzi nas dalej każe nam zadać pytanie, czy w materii skondensowanej mogą istnieć cząstki nieznane relatywistycznej kwantowej teorii pola, mówi stojący na czele zespołu naukowego profesor Bogdan Andrei Bernevig z Princeton University. On i jego zespół uważają, że są powody, by przypuszczać, iż jest to możliwe.

Wszechświat, jakim opisuje go kwantowa teoria pola jest ściśle ograniczony zestawem reguł zwanych symetrią Lorentza. Charakteryzuje ona cząstki wysokoenergetyczne. Tymczasem naukowcy zwracają uwagę, że w ciałach stałych prędkość elektronów jest bardzo mała, zatem nie powinniśmy do nich stosować teorii opisujących szybko poruszające się cząstki. Warto się zastanowić, czy w niektórych 'wszechświatach' materiałowych mogą istnieć nierelatywistyczne 'cząstki elementarne', które nie stosują się do symetrii Lorentza, komentuje Aleksiej Solujanow z ETH Zurich.

Przed rokiem Solujanow i Xi Dai z Chińskiej Akademii Nauk odwiedzili Berneviga i rozmawiali o dziwnym zachowaniu niektórych metali w polu magnetycznym. Zachowanie to obserwowano eksperymentalnie, jednak nie próbowano powiązać go z istnieniem nieznanej cząstki. Naukowcy rozpoczęli własne badania i doszli do wniosku, że o ile relatywistyczna kwantowa teoria pola pozwala na istnienie jednego fermionu Weyla, to w materii skondensowanej możliwe jest istnienie dwóch fizycznie różnych fermionów. Standardowy fermion Weyla może przyjmować dwa stany w których może istnieć na zerowym poziomie energetycznym. Gęstość stanów przy zerowej energii wynosi zero i fermion ten nie reaguje na wiele interesujących zjawisk termodynamicznych. Ten fermion jest obecny w relatywistycznej kwantowej teorii pola i jest jedynym dopuszczalnym przez symetrię Lorenza. Z kolei fermion Weyla typu II ma posiada termodynamiczną liczbę stanów, które może przyjmować na zerowym poziome energetycznym. Posiada powierzchnię Fermiego, która jest nietypowa pod tym względem, że pojawia się na styku elektronu i dziury. To nadaje fermionowi skończoną liczbę stanów, co łamie symetrię Lorenza.

Większość metali poddana działaniu pola magnetycznego wykazuje rosnącą oporność. Badania przeprowadzone niedawno w Princeton i Chińskiej Akademii Nauk wykazały, że półmetale zawierające fermion Weyla mogą wykazywać spadającą oporność o ile pole elektryczne jest przyłożone w tym samym kierunku co pole magnetyczne. Z kolei najnowsze badania nad fermionem Weyla typu II wykazały, że w niektórych kierunkach pola magnetycznego oporność rośnie, jak w standardowych metalach, a w innych maleje, jak w półmetalach z fermionem Weyla.

fermion Weyla typu II ditellurek wolframu