Fizicienii au descoperit o nouă particulă fără masă ce ar putea revoluţiona electronica şi calculul cuantic
Trei echipe independente de fizicieni au descoperit dovezi privind existenţa unor particule lipsite de masă denumite „fermioni Weyl” care există ca cvasiparticule, adică sub forma unor excitații colective ale electronilor. Această descoperire își are originea în teoria cuantică a campului care a fost propusă cu mai mult de 80 de ani în urmă de Paul Dirac.
În anul 1928, Dirac a conceput o ecuație care descrie spinul fermionilor (blocurile de bază care alcătuiesc toată materia). Cu ajutorul ecuației sale el a prezis existenţa unei particule asemănătoare cu electronul ce are aceleaşi proprietăţi, dar o sarcină electrică opusă, pozitivă. Predicţia lui Dirac a fost confirmată în anul 1932 odată cu descoperirea pozitronului, antiparticula electronului.
Alte soluții ale ecuației lui Dirac sugerau existenţa unor particule chiar mai exotice decât antiparticulele. În anul 1929, Hermann Weyl, un matematician german, propune o soluție care implică existenţa unor particule lipsite de masă. Acestea au devenit cunoscute sub numele de „fermioni Weyl”. Timp de decenii fizicienii au crezut că neutrinii (particule subatomice care rezultă prin dezintegrarea elementelor radioactive) sunt particule Weyl. Cu toate acestea, în anul 1998 s-a descoperit că neutrinii au masă, ceea ce înseamnă că aceştia nu pot fi particule Weyl.
Credit: Shutterstock/general-fmv
Iată însă că în prezent există dovezi privind existenţa fermionilor Weyl.
Zahid Hasan de la Princeton University a descoperit aceste particule într-un cristal metalic sintetic, arseniura de tantal (TaAs). Anterior, cercetătorii din echipa lui Hasan au presupus că TaAs ar trebui să conţină fermioni Weyl și un „arc Fermi”. În anul 2014 cercetătorii au descoperit dovezi ale existenţei acestui „arc Fermi”.
Mai mult, o altă echipă de fizicieni, condusă de Hongming Weng de la Chinese Academy of Sciences, a găsit dovezi similare în urma unui studiu independent care a folosit aceleași metode de lucru. De asemenea, Marin Soljacic şi colegii săi de la MIT și de la University of China au găsit dovezi privind existenţa fermionilor Weyl într-un tip special de cristal fotonic.
În acest ultim caz, cercetătorii au bombardat cu microunde cristalul respectiv și au analizat modul de propagare a microundelor prin cristal, în condiţiile în care au variat frecvența microundelor pe toată durata experimentului. Prin această metodă cercetătorii au reuşit să obţină imaginea structurii cristalului şi frecvențele microundelor care au trecut prin cristal. În acest fel s-au identificat „puncte Weyl” în structura cristalină care constituie o dovadă privind existenţa fermionilor Weyl în interiorul cristalului fotonic.
Importanţa acestei descoperiri încă nu poate fi estimată. De altfel, în comunicatul de presă, Hasan a menționat că „fermionii Weyl sunt atât de ciudaţi încât în prezent, pur şi simplu, nu ne putem imagina toate consecinţele care decurg din descoperirea lor”.
„Fermionii Weyl sunt electroni foarte rapizi care se comportă ca nişte raze de lumină unidirecționale, astfel încât aceştia pot fi utilizaţi în cadrul noilor tipuri de calculatoare cuantice”. Soljacic, conducătorul celui de-al doilea studiu, a completat afirmând că „Descoperirea punctelor Weyl deschide calea pentru realizarea unor aplicații fotonice cu totul noi”.
De asemenea, se crede că fermionii Weyl pot sta la baza viitoarelor aplicații din electronică, deoarece aceştia nu au masă şi pot transmite sarcina electrică mult mai repede decât electronii. Desigur, această caracteristică o au şi electronii care circulă prin grafen. Grafenul este însă un material 2D, spre deosebire de unele materiale 3D în care se crede că pot exista fermioni Weyl.
Sursa: FQtQ