Semelhante a um ímã que sempre tem os pólos sul e norte, um tipo de quasipartículas especiais em matéria condensada, chamadas "Férmions de Weyl", sempre aparecem em pares com quiralidade oposta. Não houve nenhum relatório experimental de que pontos Weyl não pareados existissem na matéria condensada até recentemente, um físico da City University of Hong Kong (CityU) observou o primeiro monopolo magnético de Weyl singular não pareado em um tipo específico de sólido cristalino único.

O trabalho de pesquisa foi co-liderado pelo Dr. Ma Junzhang, Professor assistente no Departamento de Física da CityU e cientistas colaboradores da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e do Instituto Paul Scherrer (PSI) na Suíça. Foi publicado em Nature Communications , intitulado "Observação de um ponto Weyl singular cercado por paredes nodais carregadas em PtGa."

"Nosso grupo é o primeiro a ver e registrar um monopolo magnético de Weyl não pareado no experimento. As descobertas abrem um novo caminho para pesquisar as propriedades topológicas em massa de monopólos magnéticos Weyl não pareados em sólidos, que irá promover a compreensão da física topológica básica, e a aplicação de semimetais de Weyl em spintrônica, "Dr. Ma disse.

Pontos Weyl:propriedades semelhantes com monopolos magnéticos

No mundo real, um ímã deve ter pólos sul e norte simultaneamente. As teorias da física moderna sugerem a existência de um monopolo magnético, ou seja, uma unidade elementar quântica de ímã com apenas um pólo. Mas por enquanto, não há evidências experimentais ou observacionais conhecidas de que existam monopólos magnéticos. A busca pelo monopolo magnético tem sido um sonho para a comunidade da física moderna.

De forma similar, Os pontos de Weyl na matéria condensada (incluindo o cristal semimetal) têm propriedades semelhantes aos monopolos magnéticos. "Portanto, Os pontos de Weyl na matéria condensada também são chamados de monopólos magnéticos de Weyl, "explicou o Dr. Ma.

Mas há uma diferença para pontos Weyl, com base nas percepções de muitos físicos. É amplamente aceito que a existência de um monopolo magnético de Weyl desemparelhado em sólidos é impossível devido ao conhecido teorema no-go de Nielsen-Ninomiya. Como resultado, pensa-se que os monopólos magnéticos de Weyl em semimetais devem sempre aparecer em pares com cargas opostas no espaço de momento 3D. E as projeções dos monopólos na superfície do único cristal devem sempre ser conectadas por um tipo de estado condutor chamado arcos de Fermi, que atua como um canal eletrônico que os elétrons podem transportar através dele.

Nenhum precedente experimental de sucesso

Esforços teóricos consideráveis ​​têm sido dedicados à busca de monopólos de Weyl não pareados além deste teorema proibido, mas nenhuma experiência bem-sucedida foi relatada no passado. Muitos cientistas pensaram que esse tipo de "substância desemparelhada" era difícil de existir em sólidos cristalinos simples.

Mas a Dra. Ma achava que não. Ele pesquisou milhares de compostos no banco de dados e finalmente descobriu que algumas dezenas deles são os candidatos potenciais a hospedar monopólos de Weyl não pareados. Suas sugestões foram apoiadas por colegas teóricos, Dr. Wu Quansheng, e o professor Oleg Yazyev da EPFL. Depois disso, uma equipe liderada pelo Dr. Ma e o professor Shi Ming da PSI iniciou uma série de experimentos de fotoemissão na Swiss Light Source da PSI e provou com sucesso as idéias primárias.

Combinando experimentos de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) com cálculos de teoria funcional de densidade, a equipe de pesquisa revelou pela primeira vez que monopólos de Weyl não pareados podem surgir em vários compostos. Ao estudar o candidato promissor, cristal semimetal de platina de gálio (PtGa), a equipe de pesquisa identificou 37 monopolos de Weyl no espaço de impulso, e descobri que o sistema hospeda o número ímpar de 37 pontos Weyl com carga +1 ou carga -1 que os impedem de emparelhar.

Eles também demonstraram experimentalmente pela primeira vez que o monopolo magnético desemparelhado pode existir no espaço de momento do sólido sem o arco de Fermi de superfície. A geometria do ponto Weyl desemparelhado é bastante diferente da dos semimetais Weyl normais, portanto, espera-se que as propriedades mudem significativamente neste novo tipo de material, que define uma nova direção de estudo.

Uma nova direção de pesquisa

O Dr. Ma acredita que a descoberta inovadora do monopolo magnético de Weyl desemparelhado pode fornecer uma nova visão sobre a física fundamental do monopolo magnético de Weyl na matéria condensada. E as propriedades especiais do monopolo magnético de Weyl, como alta mobilidade eletrônica, resposta especial a um campo magnético externo e baixa taxa de calor, pode torná-lo um bom candidato para dispositivos de computador spintrônicos como computação quântica e computação neuromórfica no futuro.