Al TU Wien di recente, particelle note come "fermioni di Weyl" sono state scoperte in materiali con una forte interazione tra gli elettroni. Proprio come particelle di luce, non hanno massa ma ciononostante si muovono molto lentamente.

C'era grande entusiasmo nel 2015 quando fu possibile misurare per la prima volta questi "fermioni di Weyl" - stravaganti, particelle prive di massa che erano state previste quasi 90 anni prima dal matematico tedesco, medico e filosofo, Hermann Weyl. Ora, di nuovo, c'è stata una svolta in questo campo di ricerca, con i ricercatori della TU Wien che sono stati i primi a rilevare con successo le particelle di Weyl in sistemi di elettroni fortemente correlati, ovvero materiali in cui gli elettroni hanno una forte interazione tra loro. In materiali come questo, le particelle di Weyl si muovono molto lentamente, pur non avendo massa. La scoperta dovrebbe ora aprire le porte a un'area della fisica completamente nuova, e consentire effetti materiale-fisici finora inimmaginabili.

Quasiparticelle:possibili solo allo stato solido

Dopo che il medico Paul Dirac era arrivato alla sua equazione di Dirac nel 1928, che può essere usato per descrivere il comportamento degli elettroni relativistici, Hermann Weyl ha trovato una soluzione particolare per questa equazione, vale a dire per particelle con massa zero, o "fermioni di Weyl". Inizialmente si pensava che il neutrino fosse una particella di Weyl priva di massa, fino a quando non si è scoperto che ha effettivamente massa. I misteriosi fermioni di Weyl erano, infatti, rilevata per la prima volta nel 2015; risultarono non essere particelle libere come il neutrino, che può muoversi nell'universo indipendentemente dal resto del mondo, ma piuttosto "quasiparticelle" allo stato solido.

"Le quasiparticelle non sono particelle nel senso convenzionale, ma piuttosto eccitazioni di un sistema costituito da molte particelle interagenti, " spiega la prof.ssa Silke Bühler-Paschen dell'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien. In un certo senso, sono simili a un'onda nell'acqua. L'onda non è una molecola d'acqua, piuttosto si basa sul movimento di molte molecole. Quando l'onda avanza, questo non significa che le particelle nell'acqua si muovano a quella velocità. Non sono le molecole d'acqua stesse, ma la loro eccitazione in forma d'onda che si diffonde.

Però, sebbene le quasiparticelle allo stato solido siano il risultato di un'interazione tra molte particelle, da un punto di vista matematico possono essere descritti in modo simile a una particella libera nel vuoto.

Una "velocità della luce" di soli 100 m/s

La cosa notevole dell'esperimento, condotto da Sami Dzsaber e altri membri del gruppo di ricerca sui materiali quantistici guidato da Silke Bühler-Paschen presso TU Wien, è il fatto che le particelle di Weyl sono state scoperte in un sistema di elettroni fortemente correlato. Questo tipo di materiale è di particolare interesse per il campo della fisica dello stato solido:i loro elettroni non possono essere descritti come separati l'uno dall'altro; sono fortemente interconnessi ed è proprio questo che conferisce loro straordinarie proprietà, dalla superconduttività ad alta temperatura fino a nuovi tipi di transizioni di fase.

"Le forti interazioni in tali materiali di solito portano, tramite il cosiddetto effetto Kondo, a particelle che si comportano come se avessero una massa estremamente grande, " spiega Sami Dzsaber. "Quindi è stato sorprendente per noi rilevare fermioni di Weyl con una massa pari a zero in questo particolare tipo di materiale." Secondo le leggi della relatività, le particelle libere senza massa devono sempre diffondersi alla velocità della luce. Questo è, però, non è il caso degli stati solidi:"Anche se i nostri fermioni di Weyl non hanno massa, la loro velocità è estremamente bassa, " dice Bühler-Paschen. Lo stato solido conferisce loro una "velocità della luce" fissa in una certa misura. Questa è inferiore a 1000 m/s, cioè solo circa tre milionesimi della velocità della luce nel vuoto. "Come tale, sono anche più lenti dei fononi, l'analogo all'onda d'acqua allo stato solido, e questo li rende rilevabili nel nostro esperimento."

Alla ricerca di nuovi effetti

Nello stesso momento in cui queste misurazioni venivano effettuate alla TU Wien, erano in corso indagini teoriche sotto la guida di Qimiao Si alla Rice University in Texas - Bühler-Paschen era un visiting professor all'epoca - che esaminavano la questione di come questi fermioni di Weyl potessero esistere in un materiale fortemente correlato. Questa combinazione di esperimento e teoria ha quindi prodotto un quadro conclusivo del nuovo effetto, che ora consente di effettuare nuove ricerche.

Le quasiparticelle appena rilevate sono interessanti per una serie di motivi:"Anche se i fermioni di Weyl sono stati inizialmente trovati in altri materiali, è molto più facile controllare l'effetto nei nostri materiali fortemente correlati, " dice Silke Bühler-Paschen. "A causa della loro bassa energia, è significativamente più facile influenzarli usando parametri come la pressione o un campo magnetico esterno." Ciò significa che i fermioni di Weyl possono essere utilizzati anche per applicazioni tecnologiche.

I fermioni di Weyl sono dispersi nel materiale solo in misura minima, il che significa che possono condurre la corrente elettrica quasi senza perdite:questo è di grande importanza per l'elettronica. È probabile che siano anche estremamente interessanti per il campo della spintronica, un progresso nell'elettronica in cui viene utilizzata non solo la carica elettrica delle particelle ma anche il loro spin. I fermioni di Weyl saranno di interesse qui a causa del loro spin particolarmente robusto. La particella dovrebbe anche essere particolarmente adatta per l'uso nei computer quantistici. "Questo è uno sviluppo davvero entusiasmante, " dice Bühler-Paschen.