Estudar propriedades de partículas fundamentais em sistemas de matéria condensada é uma abordagem promissora para a teoria quântica de campos. As quasipartículas oferecem a oportunidade de observar as propriedades das partículas que não têm realização nas partículas elementares. No presente estudo, uma equipe de pesquisa internacional liderada por Angel Rubio do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria do CFEL em Hamburgo e da Universidade do País Basco em Donostia-San Sebastián previu como a luz laser pode ser usada para criar estados de férmions de Weyl em 3 -D Dirac materiais e para alternar entre o semimetal Weyl, Estados de isolador semimetal e topológico de Dirac em escalas de tempo ultrarrápidas. Além de sua relevância para a física quântica fundamental, os resultados podem levar a aplicações em comutação ultrarrápida de propriedades de materiais. Os resultados são publicados online no jornal Nature Communications hoje.

No modelo padrão da física de partículas, as partículas fundamentais que constituem toda a matéria ao nosso redor - elétrons e quarks - são os chamados férmions, em homenagem ao famoso físico italiano Enrico Fermi. A teoria quântica prevê que os férmions elementares podem existir como três tipos diferentes:Dirac, Weyl, e férmions de Majorana, nomeado após Paul Dirac, Hermann Weyl, e Ettore Majorana. Contudo, apesar de ter sido previsto há quase cem anos, desses três tipos de partículas, apenas os férmions de Dirac foram observados como partículas elementares na natureza até agora. Com a descoberta do grafeno em 2004, Contudo, percebeu-se que o comportamento das partículas livres relativísticas pode ser observado nas propriedades eletrônicas dos materiais. Isso desencadeou a busca por materiais onde essas partículas fundamentais pudessem ser observadas e somente no ano passado os primeiros materiais hospedando férmions de Weyl foram descobertos. Embora qualquer material conhecido hospede apenas um tipo desses férmions em seu estado de equilíbrio, no presente trabalho é demonstrado como é possível transformar a natureza do férmion em materiais específicos usando pulsos de luz sob medida.

Primeira observação de férmions de Dirac no grafeno

A observação dos férmions de Dirac nas propriedades do grafeno se origina de uma complexa interação do grande número de elétrons e íons que compõem o material. Embora cada elétron individual interaja com seus íons e elétrons circundantes por meio de forças eletrostáticas, o padrão particular de íons de carbono na estrutura da camada de favo de mel do grafeno faz com que os elétrons se comportem coletivamente como sem massa, férmions livres - férmions de Dirac. Essas partículas que formam cooperativamente novas partículas com propriedades diferentes são chamadas de quasipartículas. A busca por outros materiais que hospedam quasipartículas que se comportam como partículas fundamentais concentrou-se, portanto, na estrutura cristalina dos materiais até agora.

Criação de estados topológicos movidos a laser

Agora foi encontrado, Contudo, que irradiando um material com um laser, também é possível combinar uma quasipartícula com os fótons do campo de laser para formar uma nova quasipartícula que, novamente, pode se comportar de maneira fundamentalmente diferente. Em particular, o acoplamento aos fótons pode afetar a topologia das quasipartículas. A topologia é uma propriedade das partículas que leva a propriedades peculiares, por exemplo, estados de borda quiral metálica que formam uma rodovia quântica unilateral sem colisão ao longo da borda de um isolador topológico. Esta quiralidade, ou lateralidade, é topológico no sentido de que quiralidades destras e canhotas são estados discretos que não podem ser continuamente deformados um no outro. O Prêmio Nobel de Física de 2016 acaba de ser concedido a Michael Kosterlitz, Duncan Haldane, e David Thouless pela descoberta de tais fases topológicas da matéria.

Os férmions de Dirac e Weyl diferem por sua quiralidade. Assim como nossas mãos direita e esquerda, Os férmions de Weyl ocorrem em pares, onde uma partícula é uma versão espelhada da outra. Os dois parceiros são quase idênticos, no entanto, eles não podem ser sobrepostos. Férmions de Dirac, por contraste, não tem essa propriedade.

Uma abordagem para criar quiralidade em um material é acioná-lo com um feixe de laser. "Foi percebido há cerca de dez anos que a chamada teoria Floquet - uma teoria para sistemas movidos a laser que oscilam periodicamente no tempo - nos permite projetar parâmetros e simetrias em materiais que podem mudar sua topologia, "explica Michael Sentef, Líder do grupo Emmy Noether no MPSD em Hamburgo. Induzir a quiralidade em um material de férmion de Dirac combinando esses férmions com fótons do feixe de laser para formar novas quasipartículas pode, portanto, transformá-lo em um material de férmion de Weyl.

No presente trabalho, a equipe de Angel Rubio usou simulações computacionais de alto nível de propriedades de materiais para mostrar como essa transformação óptica de férmions de Dirac em férmions de Weyl pode ser alcançada em um material real - Na ₃ Bi. Este material é um denominado semimetal Dirac tridimensional. Ele consiste em camadas de átomos de sódio e bismuto que se organizam para formar um equivalente tridimensional do grafeno. Esta tridimensionalidade é necessária para que ocorra a transformação de Dirac em férmions de Weyl. Isso não pode acontecer em uma folha bidimensional de grafeno.

"O desafio crucial neste trabalho foi levar as idéias da teoria e topologia de Floquet do nível conceitual de sistemas de modelo para o mundo de materiais reais e demonstrar que essas transições de fase topológica de não equilíbrio podem ser realizadas em um contexto de ciência de materiais, "diz Hannes Hübener, Bolsista Marie Curie da Universidade do País Basco em San Sebastián e autora principal da obra.

Da estabilidade topológica à eletrônica ultrarrápida

Em particular, os autores puderam mostrar como a proteção topológica da lateralidade dos férmions de Weyl surge e pode se tornar mais robusta quanto mais forte for o campo do laser. "Percebemos em nossas simulações que quando aumentamos o campo, os dois diferentes férmions de Weyl destros e canhotos afastaram-se mais um do outro no chamado espaço de impulso, em que as quasipartículas vivem, "diz Sentef." Uma vez que as partículas destras e canhotas são antipartículas uma da outra, eles têm que se unir para destruir um ao outro. A separação, portanto, os protege de serem destruídos, o que significa que alcançamos estabilidade topológica dessas quasipartículas. "

Os resultados teóricos sugerem que os experimentalistas devem ser capazes de medir a transformação entre os férmions de Dirac e Weyl em experimentos de laser ultrarrápido. Uma maneira de fazer isso é usar o efeito fotoelétrico para ejetar elétrons do material movido a laser, uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão de sonda de bomba, que está disponível no Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria sob a liderança do grupo Otto-Hahn, Isabella Gierz, e a Diretora Andrea Cavalleri.

Angel Rubio, Diretor do Departamento de Teoria do MPSD, acrescenta:"Este trabalho abre novos caminhos estimulantes para manipular as propriedades de materiais e moléculas usando a interação luz-matéria fundamental. Ele abre o caminho para o controle final de seu comportamento em nanoescala e com ciclos de comutação ultrarrápidos." Os cientistas ainda esperam que possa haver uma maneira de estabilizar os estados induzidos pela luz por mais tempo, mantendo a capacidade de alterná-los em terahertz ou frequências ainda mais rápidas. Isso pode permitir novos eletrônicos ultrarrápidos para computadores super-rápidos no futuro.