Lo studio delle proprietà delle particelle fondamentali nei sistemi di materia condensata è un approccio promettente alla teoria quantistica dei campi. Le quasiparticelle offrono l'opportunità di osservare proprietà delle particelle che non hanno realizzazione nelle particelle elementari. In questo studio, un team di ricerca internazionale guidato da Angel Rubio del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter al CFEL di Amburgo e dell'Università dei Paesi Baschi a Donostia-San Sebastián ha previsto come la luce laser può essere utilizzata per creare stati fermionici di Weyl in 3 -D Dirac materiali e per passare da semimetallo Weyl, Stati semimetallici e isolanti topologici di Dirac su scale temporali ultraveloci. Oltre alla sua rilevanza per la fisica quantistica fondamentale, i risultati potrebbero portare ad applicazioni nella commutazione ultraveloce delle proprietà dei materiali. I risultati sono pubblicati online sulla rivista Comunicazioni sulla natura oggi.

Nel modello standard della fisica delle particelle, le particelle fondamentali che compongono tutta la materia intorno a noi – elettroni e quark – sono i cosiddetti fermioni, prende il nome dal famoso fisico italiano Enrico Fermi. La teoria quantistica prevede che i fermioni elementari possano esistere in tre diversi tipi:Dirac, Weyl, e fermioni di Majorana, intitolato a Paul Dirac, Hermann Weyl, ed Ettore Majorana. Però, nonostante fosse stato previsto quasi cento anni fa, di questi tre tipi di particelle solo i fermioni di Dirac sono stati finora osservati come particelle elementari in natura. Con la scoperta del grafene nel 2004, però, ci si rese conto che il comportamento delle particelle libere relativistiche poteva essere osservato nelle proprietà elettroniche dei materiali. Questo ha dato il via alla ricerca di materiali dove poter osservare queste particelle fondamentali e solo l'anno scorso sono stati scoperti i primi materiali che ospitano i fermioni di Weyl. Mentre qualsiasi materiale noto ospita solo un tipo di questi fermioni nel suo stato di equilibrio, nel presente lavoro viene dimostrato come è possibile trasformare la natura dei fermioni all'interno di materiali specifici utilizzando impulsi di luce personalizzati.

Prima osservazione dei fermioni di Dirac nel grafene

L'osservazione dei fermioni di Dirac nelle proprietà del grafene ha origine da una complessa interazione del gran numero di elettroni e ioni che compongono il materiale. Sebbene ogni singolo elettrone interagisca con gli ioni e gli elettroni circostanti tramite forze elettrostatiche, il particolare schema di ioni carbonio nella struttura a nido d'ape del grafene fa sì che gli elettroni si comportino collettivamente come senza massa, fermioni liberi – fermioni di Dirac. Queste particelle che formano cooperativamente nuove particelle con proprietà diverse sono chiamate quasiparticelle. La caccia ad altri materiali che ospitano quasiparticelle che si comportano come particelle fondamentali si è quindi finora concentrata sulla struttura cristallina dei materiali.

Creazione di stati topologici guidati dal laser

Ora è stato trovato, però, che irradiando un materiale con un laser, è anche possibile combinare una quasiparticella con i fotoni del campo laser per formare una nuova quasiparticella che, ancora, può comportarsi in modo fondamentalmente diverso. In particolare, l'accoppiamento a fotoni può influenzare la topologia delle quasiparticelle. La topologia è una proprietà delle particelle che porta a proprietà peculiari, per esempio stati di bordo chirale metallico che formano un'autostrada quantistica unidirezionale senza collisioni lungo il bordo di un isolante topologico. Questa chiralità, o manualità, è topologico nel senso che le chiralità destrorse e sinistrorse sono stati discreti che non possono essere continuamente deformati l'uno nell'altro. Il Premio Nobel 2016 per la Fisica è stato appena assegnato a Michael Kosterlitz, Duncan Haldane, e David Thouless per la scoperta di tali fasi topologiche della materia.

I fermioni di Dirac e Weyl differiscono per la loro chiralità. Proprio come le nostre mani sinistra e destra, I fermioni di Weyl si presentano in coppia, dove una particella è una versione speculare dell'altra. I due partner sono quasi identici, tuttavia non possono essere sovrapposti. fermioni di Dirac, al contrario, non possiedi questa proprietà.

Un approccio per creare la chiralità in un materiale è guidarlo con un raggio laser. "Ci siamo resi conto una decina di anni fa che la cosiddetta teoria di Floquet - una teoria per sistemi a guida laser che oscillano periodicamente nel tempo - ci permette di ingegnerizzare parametri e simmetrie in materiali che possono cambiare la loro topologia, " spiega Michael Sentef, Emmy Noether leader del gruppo al MPSD di Amburgo. Indurre la chiralità in un materiale fermionico di Dirac combinando quei fermioni con i fotoni del raggio laser per formare nuove quasiparticelle può quindi trasformarlo in un materiale fermionico di Weyl.

Nel presente lavoro, il team di Angel Rubio ha utilizzato simulazioni computazionali di alto livello delle proprietà dei materiali per mostrare come questa trasformazione ottica da fermioni di Dirac a fermioni di Weyl può essere ottenuta in un materiale reale - Na ₃ Bi. Questo materiale è un cosiddetto semimetallo Dirac tridimensionale. È costituito da strati di atomi di sodio e bismuto che si organizzano per formare un equivalente tridimensionale del grafene. Questa tridimensionalità è necessaria perché avvenga la trasformazione di Dirac in fermioni di Weyl. Non può succedere in un foglio di grafene bidimensionale.

"La sfida cruciale in questo lavoro è stata quella di portare le idee della teoria e della topologia di Floquet dal livello concettuale dei sistemi modello al mondo dei materiali reali e dimostrare che tali transizioni di fase topologiche di non equilibrio possono essere realizzate in un contesto di scienza dei materiali, "dice Hannes Hübener, Marie Curie fellow presso l'Università dei Paesi Baschi a San Sebastián e autore principale dell'opera.

Dalla stabilità topologica all'elettronica ultraveloce

In particolare, gli autori potrebbero mostrare come nasce la protezione topologica della manualità dei fermioni di Weyl e come può essere resa più robusta quanto più forte è il campo laser. "Ci siamo resi conto nelle nostre simulazioni che quando abbiamo alzato il campo, i due diversi fermioni di Weyl destro e sinistro si sono allontanati l'uno dall'altro nel cosiddetto spazio del momento, in cui vivono quasiparticelle, " dice Sentef. "Poiché le particelle destrorse e levogire sono antiparticelle l'una dell'altra, devono unirsi per distruggersi a vicenda. La separazione li protegge così dall'essere distrutti, il che significa che raggiungiamo la stabilità topologica di queste quasiparticelle".

I risultati teorici suggeriscono che gli sperimentali dovrebbero essere in grado di misurare la trasformazione tra Dirac e fermioni di Weyl in esperimenti laser ultraveloci. Un modo per farlo è usare l'effetto fotoelettrico per espellere gli elettroni dal materiale azionato dal laser, una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione con sonda a pompa, che è disponibile presso il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter sotto la guida del gruppo Otto-Hahn Isabella Gierz e il direttore Andrea Cavalleri.

Angelo Rubio, Direttore del Dipartimento di Teoria MPSD, aggiunge:"Questo lavoro apre nuove strade entusiasmanti per manipolare le proprietà di materiali e molecole utilizzando l'interazione fondamentale tra luce e materia. Apre la strada per il controllo definitivo del loro comportamento su scala nanometrica e con cicli di commutazione ultraveloci". Gli scienziati sperano persino che ci possa essere un modo per stabilizzare gli stati indotti dalla luce per tempi più lunghi pur mantenendo la capacità di cambiarli a terahertz o frequenze anche più veloci. Ciò potrebbe consentire la nuova elettronica ultraveloce per computer superveloci in futuro.