I ricercatori del Dipartimento teorico dell'MPSD di Amburgo e della North Carolina State University negli Stati Uniti hanno dimostrato che lo stato semimetallico magnetico di Weyl a lungo cercato può essere indotto da impulsi laser ultraveloci in una classe tridimensionale di materiali magnetici chiamati iridati di pirocloro . I loro risultati, che sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura , potrebbe consentire dispositivi di commutazione topologici magneto-ottici ad alta velocità per l'elettronica di prossima generazione.

Tutte le particelle elementari conosciute possono essere ordinate in due categorie:bosoni e fermioni. I bosoni trasportano forze come la forza magnetica o la gravità, mentre i fermioni sono le particelle di materia, come gli elettroni. Teoricamente è stato previsto che i fermioni stessi possono venire in tre specie, prende il nome dai fisici Dirac, Weyl e Majorana.

Gli elettroni nello spazio libero sono fermioni di Dirac, ma nei solidi, possono cambiare la loro natura. Nel grafene, materiale atomicamente sottile, diventano fermioni di Dirac senza massa. In altri materiali scoperti e fabbricati di recente, possono anche diventare fermioni di Weyl e Majorana, il che rende tali materiali interessanti per le tecnologie future come i computer quantistici topologici e altri nuovi dispositivi elettronici.

In combinazione con un'ondata di bosoni, vale a dire fotoni in un laser, i fermioni possono essere trasformati da un tipo all'altro, come proposto dai teorici MPSD nel 2016. Ora, un nuovo studio condotto da Ph.D. lo studente Gabriel Topp nel gruppo Emmy Noether di Michael Sentef suggerisce che gli spin degli elettroni possono essere manipolati da brevi impulsi di luce per creare una versione magnetica dei fermioni di Weyl da un isolante magnetico. Sulla base di uno studio precedente condotto dal ricercatore postdottorato MPSD Nicolas Tancogne-Déjean e dal direttore della teoria Angel Rubio, gli scienziati hanno utilizzato l'idea della repulsione elettrone-elettrone controllata dal laser per sopprimere il magnetismo in un materiale iridato di pirocloro in cui gli spin degli elettroni sono posizionati su un reticolo di tetraedri.

Su questo reticolo, spin di elettroni, come piccoli aghi di bussola, puntare tutto dentro al centro del tetraedro e tutto fuori in quello vicino. Questo tutto compreso, combinazione totale, insieme alla lunghezza degli aghi della bussola, porta a un comportamento isolante nel materiale senza stimolazione luminosa. Però, moderne simulazioni al computer su grandi cluster di calcolo hanno rivelato che quando un breve impulso di luce colpisce il materiale, gli aghi iniziano a ruotare in modo tale che, in media, sembrano aghi più corti con un ordinamento magnetico meno forte. Fatto nel modo giusto, questa riduzione del magnetismo porta il materiale a diventare semi-metallico con i fermioni di Weyl che emergono come nuovi portatori di elettricità in esso.

"Questo è davvero un bel passo avanti nell'apprendimento di come la luce può manipolare i materiali su scale temporali ultrabrevi, " dice Michael Sentef. Gabriel Topp dice, "Siamo rimasti sorpresi dal fatto che anche un impulso laser troppo forte che dovrebbe portare a una completa soppressione del magnetismo e un metallo standard senza fermioni di Weyl potrebbe portare a uno stato di Weyl. Questo perché su scale temporali molto brevi, il materiale non ha abbastanza tempo per trovare un equilibrio termico. Quando tutto trema avanti e indietro, ci vuole un po' di tempo prima che l'energia extra dall'impulso laser sia distribuita uniformemente tra tutte le particelle nel materiale."

Gli scienziati sono ottimisti sul fatto che il loro lavoro stimolerà più lavoro teorico e sperimentale in questo senso. "Siamo solo all'inizio di imparare a capire i tanti bei modi in cui luce e materia possono combinarsi per produrre effetti fantastici e non sappiamo nemmeno cosa potrebbero essere oggi, " dice Angel Rubio. "Stiamo lavorando molto duramente con un gruppo dedicato e altamente motivato di giovani scienziati di talento presso l'MPSD per esplorare queste possibilità quasi illimitate in modo che la società trarrà beneficio dalle nostre scoperte".