Группа физиков все элементарные частицы по своей природе в две категории, фермионы и бозоны, согласно собственности назвала вращение. У фермионов, в свою очередь, есть три типа: Дирак, Majorana и Weyl.
Фермионы Дирака включают электроны в обычные металлы, такие как медь или золото. Другие два – нетрадиционные частицы, которые могут дать начало странной и существенно новой физике, которая потенциально может использоваться, чтобы построить более эффективные схемы и другие устройства.Фермион Вейля сначала теоретизировался почти век назад немецким физиком Германом Вейлем.
Даже при том, что его существование устанавливается как часть уравнений, которые формируют широко принятую Стандартную Модель субатомной физики, фермионы Вейля на самом деле никогда не наблюдались экспериментально. Теория предсказывает, что они должны двинуться в скорость света, и, в то же время, вращение о направлении движения.
Они существуют двух вариантов в зависимости от того, является ли их вращение вокруг направления движения по часовой стрелке или против часовой стрелки. Эта собственность известна как рукость или хиральность, фермионов Вейля.
Даже при том, что фермионы Weyl никогда не наблюдались непосредственно, исследователи недавно наблюдали явление, которое подражает существенным аспектам их теоретизировавших свойств в классе нетрадиционных металлов, известных как полуметаллы Weyl. Одна остающаяся проблема состояла в том, чтобы экспериментально измерить хиральность этих фермионов Weyl, которые уклонились от обнаружения от большинства стандартных экспериментальных методов.В работе, опубликованной в журнале Nature Physics, команда MIT смогла измерить хиральность фермиона Weyl при помощи циркулярного поляризованного света.
Эта работа была сделана MIT postdocs Цюн Ма и Су-Ян Сюй; преподаватели физики Нух Джедик, Пабло Харильо-Херреро и Патрик Ли; и восемь других исследователей в MIT и другие университеты в США, Китае и Сингапуре.Определенно, исследователи нашли, что металл назвал арсенид тантала или TaAs, «показывает интересная оптикоэлектронная собственность, названная круглым фотогальваническим эффектом», говорит Джедик, адъюнкт-профессор в Отделе Физики. Традиционно, электропроводность требует применения внешнего напряжения через два конца металла (такие как медь).
В отличие от этого, исследователи нашли в этой работе, что, проливая циркулярный поляризованный свет в середине инфракрасного диапазона длины волны, TaAs может произвести электрический ток, не применяя внешние напряжения. Кроме того, направление тока диктует хиральность фермионов Weyl и можно переключить, изменив легкую поляризацию от предназначенного для левой руки до предназначенного для правой руки.Сумма тока, произведенного таким образом, оказывается удивительно большой – в 10 – 100 раз более сильный, чем ответ других материалов, используемых для обнаружения этого вида света. Это могло сделать материал полезным для чрезвычайно чувствительных легких датчиков в этой середине инфракрасной части спектра.
«Несмотря на то, чтобы быть предсказанным давным-давно, фермионы Weyl никогда не наблюдались как элементарная частица в физике элементарных частиц», объясняет Джедик. Но новые эксперименты, он говорит, показали, что в этих нетрадиционных металлах, обычные электроны «могут вести себя странным способом так, чтобы их движение подражало поведению фермионов Weyl» и могло показать диапазон новых свойств.За эти годы начиная с оригинальной гипотезы Веила, «Много людей подозревало, что нейтрино были фермионами Weyl», говорит Сюй. Нейтрино – субатомные частицы, у которых мчатся через вселенную с почти скоростью света и, как долго думали, не было массы вообще, точно так же, как устанавливаемые фермионы Weyl.
Но тогда, когда это было обнаружено, что у neurinos действительно на самом деле была крошечная, но измеримая масса, что возможность была исключена, и фактические фермионы Weyl, все еще никогда не наблюдались. «Но способ, которым поведение электронов в полуметаллах, таких как TaAs тесно подражает тому, что было предсказано для фермионов Weyl, оказывает поддержку оригинальной теории Веила», говорит Ма.Электроны «могут вести себя как фермионы Weyl в тех металлах», говорит Ма. «Они всегда прибывают в пары, у которых всегда есть противоположная хиральность».В то время как другие наблюдали часть необычного поведения электронов в этих материалах, никто ранее не был в состоянии исследовать ключевой аспект фермионов Weyl, а именно, их лево-или предназначенное для правой руки вращение.
Но в этом исследовании, «мы выяснили способ измерить хиральность», говорит Сюй, при помощи циркулярного поляризованного света, чтобы вызвать электрический ток, и показывающий, что противоположная легкая поляризация заставила ток перемещаться в противоположные направления. Измеряя текущие электроды использования был свойственен материалу для различной легкой поляризации, они смогли вывести хиральность фермионов Weyl, ответственных за этот ток.