Le lunghezze d'onda della luce nel medio infrarosso sono invisibili all'occhio ma possono essere utili per una serie di tecnologie, compresa la visione notturna, rilevamento termico, e monitoraggio ambientale. Ora, un nuovo fenomeno in un metallo non convenzionale, trovato da fisici al MIT e altrove, potrebbe fornire un nuovo modo di realizzare rivelatori altamente sensibili per queste elusive lunghezze d'onda. Il fenomeno è strettamente correlato a una particella che è stata prevista dai fisici delle alte energie ma mai osservata.

I fisici raggruppano tutte le particelle fondamentali in natura in due categorie, fermioni e bosoni, secondo una proprietà chiamata spin. I fermioni, a sua volta, hanno tre tipi:Dirac, Majorana, e Weyl. I fermioni di Dirac includono gli elettroni in metalli normali come il rame o l'oro. Le altre due sono particelle non convenzionali che possono dare origine a fisica strana e fondamentalmente nuova, che potenzialmente può essere utilizzato per costruire circuiti e altri dispositivi più efficienti.

Il fermione di Weyl è stato teorizzato per la prima volta quasi un secolo fa dal fisico tedesco Hermann Weyl. Anche se la sua esistenza è postulata come parte delle equazioni che formano il Modello Standard ampiamente accettato della fisica subatomica, I fermioni di Weyl non sono mai stati osservati sperimentalmente. La teoria prevede che dovrebbero muoversi alla velocità della luce, e, allo stesso tempo, girare intorno alla direzione del movimento. Sono disponibili in due varietà a seconda che la loro rotazione intorno alla direzione del movimento sia in senso orario o antiorario. Questa proprietà è conosciuta come la manualità, o chiralità, dei fermioni di Weyl.

Anche se i fermioni di Weyl non sono mai stati osservati direttamente, i ricercatori hanno recentemente osservato un fenomeno che imita aspetti essenziali delle loro proprietà teorizzate, in una classe di metalli non convenzionali noti come semimetalli Weyl. Una delle sfide rimaste era misurare sperimentalmente la chiralità di questi fermioni di Weyl, che eludeva il rilevamento dalla maggior parte delle tecniche sperimentali standard.

In un articolo pubblicato sulla rivista Fisica della natura , un team del MIT è stato in grado di misurare la chiralità del fermione di Weyl utilizzando luce polarizzata circolarmente. Questo lavoro è stato svolto dai postdoc del MIT Qiong Ma e Su-Yang Xu; professori di fisica Nuh Gedik, Pablo Jarillo Herrero, e Patrick Lee; e altri otto ricercatori del MIT e di altre università negli Stati Uniti, Cina, e Singapore.

Nello specifico, i ricercatori hanno scoperto che un metallo chiamato arseniuro di tantalio, o TaAs, "mostra un'interessante proprietà optoelettronica chiamata effetto fotogalvanico circolare, "dice Gedik, professore associato presso il Dipartimento di Fisica. Convenzionalmente, la conduzione elettrica richiede l'applicazione di una tensione esterna alle due estremità di un metallo (come il rame). Al contrario, i ricercatori hanno scoperto in questo lavoro che, facendo brillare luce polarizzata circolarmente nella gamma di lunghezze d'onda del medio infrarosso, i TaA possono produrre una corrente elettrica senza applicare tensioni esterne. Inoltre, la direzione della corrente è dettata dalla chiralità dei fermioni di Weyl e può essere commutata cambiando la polarizzazione della luce da sinistra a destra.

La quantità di corrente generata in questo modo risulta essere sorprendentemente grande, da 10 a 100 volte più forte della risposta di altri materiali utilizzati per rilevare questo tipo di luce. Ciò potrebbe rendere il materiale utile per rilevatori di luce estremamente sensibili in questa parte dello spettro del medio infrarosso.

"Nonostante sia stato previsto molto tempo fa, I fermioni di Weyl non sono mai stati osservati come una particella fondamentale nella fisica delle particelle, " spiega Gedik. Ma i nuovi esperimenti, lui dice, hanno dimostrato che in questi metalli non convenzionali, gli elettroni ordinari "possono comportarsi in modo strano in modo che il loro movimento imiti il ​​comportamento dei fermioni di Weyl, " e può esibire una serie di nuove proprietà.

Nel corso degli anni trascorsi dall'ipotesi originale di Weyl, "Molte persone sospettavano che i neutrini fossero fermioni di Weyl, " dice Xu. I neutrini sono particelle subatomiche che sfrecciano attraverso l'universo quasi alla velocità della luce e si pensava a lungo che non avessero alcuna massa, proprio come i postulati fermioni di Weyl. Ma allora, quando si scoprì che i neurini avevano in effetti una massa minuscola ma misurabile, tale possibilità è stata esclusa, e gli effettivi fermioni di Weyl non sono mai stati osservati. "Ma il modo in cui il comportamento degli elettroni in semimetalli come TaAs imita da vicino ciò che è stato previsto per i fermioni di Weyl, supporta la teoria originale di Weyl, "Mà dice.

Gli elettroni "possono comportarsi come fermioni di Weyl in quei metalli, "Ma dice. "Vengono sempre in coppia che hanno sempre chiralità opposta."

Mentre altri avevano osservato alcuni dei comportamenti insoliti degli elettroni in questi materiali, nessuno era stato in grado in precedenza di sondare l'aspetto chiave dei fermioni di Weyl, vale a dire la loro rotazione da sinistra o da destra. Ma in questa ricerca, "abbiamo trovato un modo per misurare la chiralità, "Xu dice, utilizzando luce polarizzata circolarmente per attivare la corrente elettrica, e mostrare che le polarizzazioni della luce opposte hanno fatto sì che la corrente si muovesse in direzioni opposte. Misurando la corrente utilizzando elettrodi attaccati al materiale per diverse polarizzazioni della luce, sono stati in grado di dedurre la chiralità dei fermioni di Weyl responsabili di questa corrente.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.