Исследователи сообщают в журнале Science July 16 о первом наблюдении за фермионами Weyl, которые, если относится электроника следующего поколения, могли бы допускать почти свободный и эффективный поток электричества в электронике, и таким образом большую власть, специально для компьютеров, исследователи предлагают.Предложенный математиком и физиком Германом Вейлем в 1929, фермионы Вейля долго разыскивались учеными, потому что они рассматривались как возможные стандартные блоки других субатомных частиц и еще более основные, чем повсеместный электрон переноса отрицательного заряда (когда электроны перемещаются в кристалле). Их основной характер означает, что фермионы Вейля могли обеспечить намного более стабильный и эффективный транспорт частиц, чем электроны, которые являются принципиальной частицей позади современной электроники.
В отличие от электронов, фермионы Вейля невесомы и обладают высокой степенью подвижности; вращение частицы находится оба в том же самом направлении как его движение – который известен как являющийся предназначенным для правой руки – и в противоположном направлении, в которое это перемещается, или предназначенный для левой руки.«Физика фермиона Weyl настолько странная, могло быть много вещей, которые являются результатом этой частицы, что мы просто не способны к воображению теперь», сказал соответствующий автор М. Зэхид Хасан, преподаватель Принстона физики, который возглавил исследовательскую группу.
Находка исследователей отличается от других открытий частицы в этом, фермион Weyl может быть воспроизведен и потенциально применен, сказал Хасан. Как правило, частицы, такие как известный бозон Хиггса обнаружены в мимолетном последствии столкновений частицы, сказал он.
Фермион Weyl, однако, был обнаружен в синтетическом металлическом кристалле, названном арсенидом тантала, который исследователи Принстона проектировали в сотрудничестве с исследователями в Совместном Инновационном Центре Квантового Вопроса в Пекине и в Национальном университете Тайваня.Фермион Weyl обладает двумя особенностями, которые могли сделать его открытие благом для будущей электроники, включая развитие очень дорогой области эффективного квантового вычисления, Хасан объясненный.Для физика фермионы Weyl являются самыми известными поведению как соединение монополя – и подобные антимонополю частицы, когда в кристалле, сказал Хасан. Это означает, что частицы Weyl, у которых есть противоположные магнитные одноименные заряды, могут, тем не менее, переместиться друг независимо от друга с высокой степенью подвижности.
Исследователи также нашли, что фермионы Weyl могут использоваться, чтобы создать невесомые электроны, которые перемещаются очень быстро без backscattering, где электроны потеряны, когда они сталкиваются с преградой. В электронике backscattering препятствует эффективности и вырабатывает тепло.
Электроны Weyl просто перемещаются через и вокруг контрольно-пропускных пунктов, сказал Хасан.«Это похоже, они имеют свой собственный GPS и регулируют себя без рассеивания», сказал Хасан. «Они двинутся и двинутся только в одном направлении, так как они или предназначены для правой руки или левши и никогда не заканчиваются потому что они просто тоннель через. Это очень быстрые электроны, которые ведут себя как однонаправленные лучи света и могут использоваться для новых типов квантового вычисления».
До научной работы Хасан и его соавторы опубликовали отчет в журнале Nature Communications in June, который теоретизировал, что фермионы Weyl могли существовать в кристалле арсенида тантала. Управляемый той бумагой, исследователи использовали Институт Принстона Науки и техники Материалов (ПРИЗМА) и Лаборатория для Топологического Квантового Вопроса и Спектроскопии в Зале Принстона Jadwin, чтобы исследовать и моделировать десятки кристаллических структур перед захватом за асимметричный кристалл арсенида тантала, у которого есть вершина различной формы и основание.Кристаллы были тогда загружены в двухэтажное устройство, известное как туннелирование просмотра spectromicroscope, который охлажден к близкому абсолютному нулю и приостановлен от потолка, чтобы предотвратить даже колебания размера атома. spectromicroscope определил, соответствовал ли кристалл теоретическим техническим требованиям для оказания гостеприимства фермиона Weyl. «Это сказало нам, если кристалл был домом частицы», сказал Хасан.Команда Принстона взяла кристаллы, пройдя spectromicroscope тест к Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии, которая будет проверена с высокоэнергетическими основанными на акселераторе лучами фотона.
После того, как запущенный через кристалл, форма лучей, размер и направление указали на присутствие длинно-неуловимого фермиона Weyl.Первый автор Су-Ян Сюй, постдокторский научный сотрудник в Отделе Принстона Физики, сказал, что работа была уникальна для затрагивания теории и experimentalism.«Природа этого исследования и как это появилось, действительно отличается и более захватывающая, чем большая часть другой работы, которую мы сделали прежде», сказал Сюй. «Обычно, теоретики говорят нам, что немного комплекса могло бы показать некоторые новые или интересные свойства, тогда мы как экспериментаторы выращиваем тот образец и выполняем эксперименты, чтобы проверить предсказание.
В этом случае мы придумали теоретическое предсказание сами и затем выполнили эксперименты. Это делает заключительный успех еще более захватывающим и удовлетворяющим, чем прежде».В преследовании неуловимой частицы исследователи должны были вынуть из многих дисциплин, а также просто иметь веру в свои поиски и научные инстинкты, сказал Сюй.
«Решение этой проблемы включило теорию физики, химию, материальную науку и, самое главное, интуиция», сказал он. «Эта работа действительно показывает, почему исследование настолько захватывающее, потому что это включило и рациональное, логическое мышление, и также вспыхивает и вдохновение».Weyl, который работал в Институте Специального исследования, предложил его фермион в качестве альтернативы теории относительности, предложенной его коллегой Альбертом Эйнштейном. Хотя то применение никогда не удавалось, особенности его теоретической частицы заинтриговали физиков в течение почти века, сказал Хасан. На самом деле наблюдение частицы было процессом попытки – один амбициозный эксперимент предложил столкнуться высокоэнергетические нейтрино, чтобы проверить, был ли фермион Weyl произведен впоследствии, сказал он.
Охота на фермион Weyl началась в самые ранние дни квантовой теории, когда физики сначала поняли, что их уравнения подразумевали существование копий антивещества обычно известным частицам, таким как электроны, сказал Хасан.«Люди полагали, что, хотя теория Веила не была применима к относительности или нейтрино, это – наиболее каноническая форма фермиона и имело все другие виды странных и красивых свойств, которые могли быть полезными», сказал он.
«Больше чем после 80 лет мы нашли, что этот фермион уже был там, ожидая. Это – наиболее основа всех электронов», сказал он. «Захватывающе, что мы могли наконец заставить его выйти после теоретического рецепта Веила 1929 года».Ашвин Вишванат, преподаватель физики в Калифорнийском-университете-Беркли, который не был вовлечен в исследование, прокомментировал, «сообщают эксперименты профессора Хасана о наблюдении за обоими необычные свойства в большой части кристалла, а также экзотических поверхностных государств, которые были теоретически предсказаны. В то время как рано сказать, какие практические последствия это открытие могло бы иметь, стоит отметить, что материалы Weyl – прямые 3D электронные аналоги графена, который серьезно изучается для возможного применения».
Другими соавторами был Чэнлун Чжан, Чжуцзюнь Юань и Шуан Цзя из Пекинского университета; Раман Сэнкэр и Фанчэн Чоу из Национального университета Тайваня; Гуокинг Чанг, Ши-Ченг Ли, Голень-Ming Хуан, BaoKai Ван и Хсин Лин из Национального университета Сингапура; Цзе Ма из Окриджской национальной лаборатории; и Arun Bansil из Северо-восточного университета. BaoKai Ван также аффилирован с Северо-восточным университетом и Шуан Цзя, аффилирован с Совместным Инновационным Центром Квантового Вопроса в Пекине.
Работа, «Открытие фермионов Weyl и топологических дуг Ферми», была опубликована онлайн Наукой 16 июля. Работа была поддержана Фондами Гордона и Бетти Мур Инициатива Emergent Phenomena in Quantum Systems (EPiQS) (грант № GBMF4547); Национальный Исследовательский фонд Сингапура (предоставляют № NRF-NRFF2013-03); Национальная Программа Фундаментального исследования Китая (предоставляют № 2013CB921901 и 2014CB239302); американское Министерство энергетики (предоставляют нет.
DE FG 02 05ER462000); и тайваньское Министерство Науки и техники (проект № 102-2119-M-002-004).