Na TU Wien recentemente, partículas conhecidas como 'férmions de Weyl' foram descobertas em materiais com forte interação entre elétrons. Assim como partículas de luz, eles não têm massa, mas, ainda assim, movem-se extremamente devagar.

Houve grande empolgação em 2015, quando foi possível medir esses 'férmions de Weyl' - estranho, partículas sem massa que foram previstas quase 90 anos antes por matemático alemão, médico e filósofo, Hermann Weyl. Agora, Mais uma vez, houve um avanço neste campo de pesquisa, com pesquisadores da TU Wien sendo os primeiros a detectar com sucesso partículas de Weyl em sistemas de elétrons fortemente correlacionados - isto é, materiais onde os elétrons têm uma forte interação uns com os outros. Em materiais como este, as partículas de Weyl se movem extremamente lentamente, apesar de não ter massa. A descoberta deve agora abrir a porta para uma área inteiramente nova da física, e permitir efeitos materiais-físicos até então inimagináveis.

Quasipartículas:só possíveis no estado sólido

Depois que o médico Paul Dirac chegou à sua equação de Dirac em 1928, que pode ser usado para descrever o comportamento dos elétrons relativísticos, Hermann Weyl encontrou uma solução particular para esta equação - ou seja, para partículas com massa zero, ou 'férmions de Weyl'. O neutrino foi originalmente pensado para ser uma partícula de Weyl sem massa, até que foi descoberto que ele realmente tem massa. Os misteriosos férmions de Weyl eram, na verdade, detectado pela primeira vez em 2015; descobriram que não eram partículas livres como o neutrino, que pode se mover pelo universo independentemente do resto do mundo, mas sim 'quasipartículas' em um estado sólido.

"Quasipartículas não são partículas no sentido convencional, mas sim excitações de um sistema que consiste em muitas partículas interagindo, "explica o Prof. Silke Bühler-Paschen do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien. Em certo sentido, eles são semelhantes a uma onda na água. A onda não é uma molécula de água, em vez disso, é baseado no movimento de muitas moléculas. Quando a onda avança, isso não significa que as partículas na água estão se movendo nessa velocidade. Não são as próprias moléculas de água, mas sua excitação em forma de onda que se espalha.

Contudo, embora as quasipartículas em um estado sólido sejam o resultado de uma interação entre muitas partículas, de uma perspectiva matemática, eles podem ser descritos de forma semelhante a uma partícula livre no vácuo.

Uma "velocidade da luz" de apenas 100 m / s

O que é notável sobre o experimento, conduzido por Sami Dzsaber e outros membros do grupo de pesquisa para materiais quânticos liderado por Silke Bühler-Paschen na TU Wien, é o fato de que as partículas de Weyl foram descobertas em um sistema eletrônico fortemente correlacionado. Este tipo de material é de particular interesse para o campo da física do estado sólido:seus elétrons não podem ser descritos como separados um do outro; estão fortemente interligados e é precisamente isso que lhes confere propriedades extraordinárias, da supercondutividade de alta temperatura até novos tipos de transições de fase.

"As fortes interações em tais materiais geralmente levam, através do chamado efeito Kondo, a partículas que se comportam como se tivessem uma massa extremamente grande, "explica Sami Dzsaber." Portanto, foi surpreendente para nós detectar férmions de Weyl com massa zero neste tipo de material em particular. "De acordo com as leis da relatividade, partículas livres sem massa devem sempre se espalhar na velocidade da luz. Isto é, Contudo, não é o caso em estados sólidos:"Mesmo que nossos férmions de Weyl não tenham massa, a velocidade deles é extremamente baixa, "diz Bühler-Paschen. O estado sólido empresta a eles sua própria 'velocidade da luz' fixa até certo ponto. Isso é inferior a 1000 m / s, ou seja, apenas cerca de três milionésimos da velocidade da luz no vácuo. "Como tal, eles são ainda mais lentos do que os fônons, o análogo à onda de água no estado sólido, e isso os torna detectáveis ​​em nosso experimento. "

Em busca de novos efeitos

Ao mesmo tempo em que essas medições estavam sendo feitas na TU Wien, investigações teóricas estavam sendo realizadas sob a liderança de Qimiao Si na Rice University no Texas - Bühler-Paschen era um professor visitante lá na época - que examinava a questão de como esses férmions de Weyl poderiam existir em um material fortemente correlacionado. Esta combinação de experimento e teoria produziu, assim, uma imagem conclusiva do novo efeito, que agora está possibilitando a realização de novas pesquisas.

As quasipartículas recém-detectadas são interessantes por uma série de razões:"Mesmo que os férmions de Weyl fossem encontrados inicialmente em outros materiais, é muito mais fácil controlar o efeito em nossos materiais fortemente correlacionados, "diz Silke Bühler-Paschen." Devido à sua baixa energia, é significativamente mais fácil influenciá-los usando parâmetros como pressão ou um campo magnético externo. "Isso significa que os férmions de Weyl também podem ser usados ​​para aplicações tecnológicas.

Os férmions de Weyl são apenas dispersos no material em uma extensão mínima, o que significa que eles podem conduzir corrente elétrica quase sem perda - isso é de grande importância para a eletrônica. Eles também podem ser extremamente interessantes para o campo da spintrônica, um avanço na eletrônica onde não apenas a carga elétrica das partículas, mas também seu spin é usado. Os férmions de Weyl serão de interesse aqui devido ao seu spin particularmente robusto. A partícula também deve ser especialmente adequada para uso em computadores quânticos. "Este é um desenvolvimento realmente empolgante, "diz Bühler-Paschen.