Quasipartículas que se comportam como férmions sem massa, conhecido como férmions de Weyl, têm estado no centro de uma série de descobertas empolgantes na física da matéria condensada nos últimos anos. O grupo do físico Sebastian Huber da ETH Zurich agora relata experimentos nos quais eles conseguiram controlar uma das propriedades definidoras dos férmions de Weyl - sua quiralidade.

"No meu trabalho, Sempre tentei unir o verdadeiro ao belo; quando eu tive que decidir por um deles, Sempre escolhi o que era bonito. "Esta citação adorna a parede de um nicho da sala Hermann Weyl no edifício principal da ETH Zurique, por trás de uma escultura do matemático alemão, físico e filósofo Hermann Weyl, que foi professor de matemática superior na ETH de 1913 a 1930.

Durante esse tempo, Weyl produziu uma equação de onda relativística para descrever partículas de spin 1/2 sem massa, que agora são conhecidos como férmions de Weyl. Reportando hoje no jornal Física da Natureza , Valerio Peri e seu colega Marc Serra-Garcia no grupo de Sebastian Huber no Instituto de Física Teórica da ETH Zurique, junto com Roni Ilan da Universidade de Tel-Aviv (Israel), relatam um estudo experimental no qual observaram uma característica intrigante e conceitualmente de longo alcance da teoria consagrada pelo tempo de Weyl:um campo de fundo possível que se acopla diferentemente aos férmions de Weyl de quiralidade oposta.

Férmions sem massa nunca foram observados na natureza. Hoje, sabemos que os férmions de Weyl surgem como excitações coletivas, as chamadas quasipartículas, em sistemas de muitos corpos. Isso foi realizado experimentalmente em 2015 em um material cristalino, em que os férmions de Weyl aparecem como pontos específicos na estrutura da banda eletrônica. Também foi demonstrado que tais pontos Weyl existem em estruturas periódicas projetadas interagindo com ondas clássicas, em particular com ondas eletromagnéticas (em cristais fotônicos) e com ondas acústicas (em cristais fonônicos). Peri e colegas de trabalho adotaram uma plataforma fonônica, consistindo em 4800 cuidadosamente projetados, Células unitárias impressas em 3-D dispostas em uma estrutura 3-D (foto acima), em que eles interagem com ondas sonoras no ar.

Esses metamateriais acústicos são conhecidos como plataformas adequadas para explorar a física de Weyl, mas os pesquisadores da ETH acrescentaram um giro importante à história. Eles criaram um campo de fundo que interage com os férmions de Weyl de maneira semelhante a como um campo magnético interage com as excitações eletrônicas em um cristal. Como as ondas sonoras são gratuitas, e são, portanto, inertes aos campos magnéticos, Peri et al. teve que encontrar outros meios de manipular as quasipartículas em seu sistema. Eles fizeram isso variando ligeiramente a geometria das células unitárias, de modo que a localização espacial em que os pontos de Weyl aparecem (no espaço de momento) variou em toda a amostra. Essa modificação faz seu sistema acústico se comportar como um sistema eletrônico imerso em um campo magnético - com uma diferença importante. Eles projetaram o campo de fundo de forma que ele se acople diferentemente aos dois tipos de férmions de Weyl:aqueles com momento angular intrínseco (spin) alinhados paralelamente com seu momento linear, e aqueles com alinhamento antiparalelo. Em outras palavras, o campo se acopla de maneira diferente às partículas, dependendo de sua quiralidade.

A realização de um campo de fundo que distingue a quiralidade é uma etapa importante, pois vai ao cerne do motivo pelo qual os férmions de Weyl são tão interessantes na física de partículas. Quando os férmions de quiralidade diferente podem ser manipulados independentemente uns dos outros, então, as leis clássicas de conservação podem ser violadas no nível quântico. Por exemplo, a carga para férmions de uma dada quiralidade não é conservada. Tal comportamento dá origem à chamada anomalia quiral, que, por sua vez, pode ser a chave para a compreensão das características centrais do Modelo Padrão da física de partículas.

Peri e colegas demonstraram agora a existência de canais quirais distintos, dando-lhes acesso independente a férmions de Weyl de quiralidade oposta em um sistema em massa. (Resultados relacionados foram relatados anteriormente para sistemas eletrônicos em duas dimensões.) Ter percebido tal comportamento profundamente enraizado na teoria da física de alta energia com ondas sonoras de baixa energia interagindo com um sistema de matéria condensada promete uma plataforma versátil para explorar mais os fenômenos relacionado aos férmions de Weyl que foram teoricamente previstos, e tomar outras medidas para explorar tal comportamento em áreas tecnológicas, variando da acústica à eletrônica - sem perder de vista a beleza subjacente que guiou Hermann Weyl.