Zum ersten Mal gelang es den Physikern, Quasiteilchen zu beobachten, die vor fast hundert Jahren vorhergesagt wurden

Ein Beispiel eines gyroid

amerikanischen Physikers bestätigte erstmals die Existenz masseloser virtueller Teilchen, die der deutsche Wissenschaftler Hermann Weil durch experimentelle Beobachtung vorhergesagt hatte. Die Entdeckung könnte den Weg für die Schaffung neuer elektronischer Geräte, eines neuen Typs von Hochleistungslasern und anderer optischer Geräte ebnen. Die Partikelarbeit wurde unabhängig von der Princeton University und dem Massachusetts Institute of Technology durchgeführt und veröffentlicht .

German Weil studierte zu Beginn des 20. Jahrhunderts an der Universität Göttingen bei David Hilbert selbst, war mit Einstein vertraut, wurde einer der ersten Anhänger und Popularisierer seiner allgemeinen Relativitätstheorie, schrieb Bücher und Artikel über Mathematik und theoretische Physik. Unter seinen anderen Ideen beschrieb er 1929 hypothetische virtuelle Teilchen, die später als "Weyl-Punkte" oder "Weyl-Fermionen" bezeichnet wurden.

Dies sind lokale Störungen des Kristallgitters, die zweckmäßigerweise in Form von Partikeln betrachtet werden (etwas, das Elektronenlöchern ähnelt ). Sie erschienen als Lösungen der Dirac-Gleichung (die die Bewegung eines Punktteilchens mit einem halbzahligen Spin beschreibt). Darüber hinaus sind sie theoretisch sehr bequem zu betreiben, da sie keine Masse und ihre Helizität habenkann entweder links oder rechts sein (der Spinvektor kann sowohl in als auch gegen die Richtung seiner Bewegung gerichtet sein). Solche einzigartigen Eigenschaften ermöglichen es, diese Teilchen in der Mikroelektronik der Zukunft anstelle der Elektronen zu verwenden, auf denen die gesamte moderne Mikroelektronik aufgebaut ist.

Die Physiker glaubten lange Zeit, dass das von Weil beschriebene Teilchen ein Neutrino sei, da es unter masselosen Teilchen rechne. Aber als 1998 bewiesen wurde, dass Neutrinos Masse haben, begann das Rätsel erneut den Geist der Wissenschaftler zu erregen.

"Die Physik von Weyl-Fermionen ist so seltsam, dass sich daraus eine unvorstellbare Anzahl unterschiedlicher potenzieller Eigenschaften ergibt", erklärte M. Zahid Hassan, ein Physikprofessor in Princeton, der die Studie leitete.

Die ungewöhnliche Natur dieses Quasiteilchens wird durch die Tatsache ergänzt, dass es sich in einem Kristall einer besonderen Art wie ein magnetischer Monopol verhält. Tatsächlich hat niemand magnetische Monopole in der Realität beobachtet, aber als mathematische Abstraktionen ist es zweckmäßig, sie für Berechnungen auf den sogenannten zu verwenden Rückengrill(Eine weitere mathematische Abstraktion, mit der Physiker die Beugung von Röntgenstrahlen, Neutronen und Elektronen auf einem Kristall beschreiben). Und in solchen Berechnungen sind die Eigenschaften von Weyl-Fermionen den Eigenschaften von Monopolen sehr ähnlich.


Die vom Detektor erhaltenen Daten bestätigen das Vorhandensein von Partikeln

. Die Weyl-Fermionen selbst verhalten sich wie eine Monopol-Antimonopol-Kombination. Daher können sich auch Teilchen mit entgegengesetzten Ladungen unabhängig voneinander bewegen. Außerdem können sie sich ohne Rückstreuung (Reflexion in entgegengesetzter Richtung zur Bewegungsrichtung) bewegen, wenn Hindernisse auf ihrem Weg auftreten. Gewöhnliche Elektronen kollidieren mit Hindernissen und ihre Dispersion erhöht die Temperatur des Mediums.

"Sie scheinen einen eigenen GPS-Navigator zu haben, mit dem sie den Kurs ändern und Streuungen vermeiden können", sagt Professor Hassan. "Sie bewegen sich hartnäckig weiter in die gleiche Richtung und fliegen direkt durch, ohne anzuhalten." Sie verhalten sich wie ein Strahl sehr schneller Elektronen und können daher in einer neuen Art von Quantencomputern verwendet werden. "Der

Kristall, in dem die Weyl-Fermionen und Monopole Spaß haben, ist eine Gyroid - dies ist eine" dreimal periodische minimale Oberfläche "- leider eine andere Ein mathematischer Begriff, der mit einfachen Worten schwer zu beschreiben ist. In Wirklichkeit existieren solche Kristalle, und unter ihnen kann man unter anderem eine nahezu perfekte Leitfähigkeit eines elektrischen Stroms feststellen - wie bei zweidimensionalem Graphen.

Weil beschrieb Fermionen und beschrieb auch die Struktur eines Halbmetallkristalls, nach der Wissenschaftler in Experimenten suchten. Der Kristall, in dem Weils Fermionen erstmals beobachtet wurden, war ein asymmetrischer Tantalarsenidkristall. In dem Experiment wurde es in ein zweistufiges Rastertunnelmikroskop gegeben und auf nahezu absoluten Nullpunkt abgekühlt und auf die gewünschte Struktur überprüft (da es eine angemessene Menge kristalliner Formen dieser Verbindung gibt). Danach wurde er mit Strahlen hochenergetischer Protonen bombardiert, wobei die Beobachtung von Weyl-Fermionen im Kristall bestätigt wurde.

Source: https://habr.com/ru/post/de381991/