Os comprimentos de onda do infravermelho médio são invisíveis a olho nu, mas podem ser úteis para uma série de tecnologias, incluindo visão noturna, sensoriamento térmico, e monitoramento ambiental. Agora, um novo fenômeno em um metal não convencional, encontrado por físicos no MIT e em outros lugares, poderia fornecer uma nova maneira de fazer detectores altamente sensíveis para esses comprimentos de onda indescritíveis. O fenômeno está intimamente relacionado a uma partícula que foi prevista por físicos de alta energia, mas nunca observada.

Os físicos agrupam todas as partículas fundamentais da natureza em duas categorias, férmions e bósons, de acordo com uma propriedade chamada spin. Os férmions, por sua vez, tem três tipos:Dirac, Majorana, e Weyl. Os férmions de Dirac incluem os elétrons em metais regulares, como cobre ou ouro. As outras duas são partículas não convencionais que podem dar origem a uma física estranha e fundamentalmente nova, que potencialmente podem ser usados ​​para construir circuitos e outros dispositivos mais eficientes.

O férmion de Weyl foi teorizado pela primeira vez há quase um século pelo físico alemão Hermann Weyl. Mesmo que sua existência seja postulada como parte das equações que formam o Modelo Padrão amplamente aceito da física subatômica, Os férmions de Weyl nunca foram realmente observados experimentalmente. A teoria prevê que eles devem se mover na velocidade da luz, e, ao mesmo tempo, gire sobre a direção do movimento. Eles vêm em duas variedades, dependendo se sua rotação em torno da direção do movimento é no sentido horário ou anti-horário. Esta propriedade é conhecida como lateralidade, ou quiralidade, de férmions de Weyl.

Mesmo que os férmions de Weyl nunca tenham sido observados diretamente, pesquisadores observaram recentemente um fenômeno que imita aspectos essenciais de suas propriedades teorizadas, em uma classe de metais não convencionais conhecida como semimetais de Weyl. Um desafio restante era medir experimentalmente a quiralidade desses férmions de Weyl, que evitou a detecção da maioria das técnicas experimentais padrão.

Em artigo publicado na revista Física da Natureza , uma equipe do MIT foi capaz de medir a quiralidade do férmion Weyl usando luz polarizada circularmente. Este trabalho foi feito pelos pós-docs do MIT Qiong Ma e Su-Yang Xu; professores de física Nuh Gedik, Pablo Jarillo-Herrero, e Patrick Lee; e oito outros pesquisadores do MIT e outras universidades nos EUA, China, e Cingapura.

Especificamente, os pesquisadores descobriram que um metal chamado arsenieto de tântalo, ou TaAs, "exibe uma propriedade optoeletrônica interessante chamada efeito fotogalvânico circular, "diz Gedik, professor associado do Departamento de Física. Convencionalmente, a condução elétrica requer a aplicação de uma voltagem externa nas duas extremidades de um metal (como o cobre). Por contraste, os pesquisadores descobriram neste trabalho que, ao brilhar luz polarizada circularmente na faixa de comprimento de onda do infravermelho médio, os TaAs podem produzir uma corrente elétrica sem aplicar tensões externas. Além disso, a direção da corrente é ditada pela quiralidade dos férmions de Weyl e pode ser trocada alterando a polarização da luz de canhoto para destro.

A quantidade de corrente gerada dessa forma é surpreendentemente grande - 10 a 100 vezes mais forte do que a resposta de outros materiais usados ​​para detectar esse tipo de luz. Isso poderia tornar o material útil para detectores de luz extremamente sensíveis nesta parte do infravermelho médio do espectro.

"Apesar de ter sido previsto há muito tempo, Os férmions de Weyl nunca foram observados como uma partícula fundamental na física de partículas, "Gedik explica. Mas os novos experimentos, ele diz, mostraram que, nesses metais não convencionais, elétrons comuns "podem se comportar de maneira estranha, de modo que seu movimento imita o comportamento dos férmions de Weyl, "e pode exibir uma série de novas propriedades.

Ao longo dos anos, desde a hipótese original de Weyl, "Muitas pessoas suspeitaram que os neutrinos eram férmions de Weyl, "Xu diz. Neutrinos são partículas subatômicas que se lançam através do universo quase à velocidade da luz e por muito tempo se pensou que não tinham massa alguma, assim como os férmions de Weyl postulados. Mas então, quando foi descoberto que os neurinos de fato tinham uma massa minúscula, mas mensurável, essa possibilidade foi descartada, e os férmions de Weyl reais ainda nunca foram observados. "Mas a forma como o comportamento dos elétrons em semimetais como TaAs imita de perto o que foi previsto para os férmions de Weyl dá suporte à teoria original de Weyl, "Ma diz.

Elétrons "podem se comportar como férmions de Weyl nesses metais, "Ma diz." Eles sempre vêm em pares que sempre têm quiralidade oposta. "

Enquanto outros observaram alguns dos comportamentos incomuns dos elétrons nesses materiais, ninguém tinha sido capaz de sondar o aspecto-chave dos férmions de Weyl, ou seja, seu giro para a esquerda ou direita. Mas nesta pesquisa, "descobrimos uma maneira de medir a quiralidade, "Xu diz, usando luz polarizada circularmente para acionar a corrente elétrica, e mostrando que polarizações de luz opostas fizeram com que a corrente se movesse em direções opostas. Ao medir a corrente usando eletrodos anexados ao material para diferentes polarizações de luz, eles foram capazes de deduzir a quiralidade dos férmions de Weyl responsáveis ​​por esta corrente.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.