Quasiparticelle che si comportano come fermioni senza massa, noti come fermioni di Weyl, sono stati al centro di una serie di scoperte entusiasmanti nella fisica della materia condensata negli ultimi anni. Il gruppo del fisico Sebastian Huber all'ETH di Zurigo ora riporta esperimenti in cui hanno avuto modo di capire una delle proprietà che definiscono i fermioni di Weyl:la loro chiralità.

"Nel mio lavoro, Ho sempre cercato di unire il vero con il bello; quando ho dovuto decidere per uno di loro, Ho sempre scelto ciò che era bello." Questa citazione adorna la parete di una nicchia nella stanza di Hermann Weyl nell'edificio principale dell'ETH di Zurigo, dietro una scultura del matematico tedesco, fisico e filosofo Hermann Weyl, che fu professore di matematica superiore all'ETH dal 1913 al 1930.

Durante quel periodo, Weyl ha prodotto un'equazione d'onda relativistica per descrivere particelle senza massa spin-1/2, che ora sono conosciuti come fermioni di Weyl. Reportage oggi sul giornale Fisica della natura , Valerio Peri e il suo collega Marc Serra-Garcia nel gruppo di Sebastian Huber presso l'Istituto di Fisica Teorica dell'ETH di Zurigo, insieme a Roni Ilan dell'Università di Tel-Aviv (Israele), riportano uno studio sperimentale in cui hanno osservato una caratteristica intrigante e concettualmente di vasta portata dell'antica teoria di Weyl:un possibile campo di fondo che si accoppia in modo diverso ai fermioni di Weyl di chiralità opposta.

I fermioni privi di massa non sono mai stati osservati in natura. Oggi, sappiamo che i fermioni di Weyl emergono come eccitazioni collettive, le cosiddette quasiparticelle, nei sistemi a molti corpi. Questo è stato realizzato sperimentalmente nel 2015 in un materiale cristallino, in cui i fermioni di Weyl appaiono come punti specifici nella struttura elettronica delle bande. Tali punti di Weyl hanno anche dimostrato di esistere in strutture periodiche ingegnerizzate che interagiscono con le onde classiche, in particolare con onde elettromagnetiche (nei cristalli fotonici) e con onde acustiche (nei cristalli fononici). Peri e collaboratori adottarono una piattaforma fononica, composto da 4800 accuratamente progettati, Celle unitarie stampate in 3D disposte in una struttura 3D (nella foto sopra), in cui interagiscono con le onde sonore trasportate dall'aria.

Tali metamateriali acustici sono stati conosciuti come piattaforme adatte per esplorare la fisica Weyl, ma i ricercatori dell'ETH hanno aggiunto una svolta importante alla storia. Hanno progettato un campo di fondo che interagisce con i fermioni di Weyl in modo simile a come un campo magnetico interagisce con le eccitazioni elettroniche in un cristallo. Poiché le onde sonore non portano alcuna carica, e sono quindi inerti ai campi magnetici, Peri et al. dovuto trovare altri mezzi per manipolare le quasiparticelle nel loro sistema. Lo hanno fatto variando leggermente la geometria delle celle unitarie, tale che la posizione spaziale in cui appaiono i punti Weyl (nello spazio del momento) variava in tutto il campione. Questa modifica fa sì che il loro sistema acustico si comporti come un sistema elettronico immerso in un campo magnetico, con una differenza importante. Hanno progettato il campo di fondo in modo tale che si accoppi in modo diverso ai due tipi di fermioni di Weyl:quelli con momento angolare intrinseco (spin) allineati parallelamente al loro momento lineare, e quelli con allineamento antiparallelo. In altre parole, il campo si accoppia diversamente alle particelle a seconda della loro chiralità.

La realizzazione di un campo di fondo che distingua la chiralità è un passo importante, in quanto va al cuore del motivo per cui i fermioni di Weyl sono così eccitanti nella fisica delle particelle. Quando fermioni di diversa chiralità possono essere manipolati indipendentemente l'uno dall'altro, allora le leggi di conservazione classiche possono essere infrante a livello quantistico. Ad esempio, la carica per i fermioni di una data chiralità non si conserva. Tale comportamento dà luogo alla cosiddetta anomalia chirale, che a sua volta potrebbe essere la chiave per comprendere le caratteristiche centrali del Modello Standard della fisica delle particelle.

Peri e colleghi hanno ora dimostrato l'esistenza di canali chirali distinti, dando loro un accesso indipendente ai fermioni di Weyl di chiralità opposta in un sistema bulk. (I risultati correlati sono stati precedentemente riportati per i sistemi elettronici in due dimensioni.) L'aver realizzato un tale comportamento profondamente radicato nella teoria della fisica delle alte energie con onde sonore a bassa energia che interagiscono con un sistema di materia condensata promette una piattaforma versatile per esplorare ulteriormente i fenomeni relativi ai fermioni di Weyl che sono stati previsti teoricamente, e compiere ulteriori passi per sfruttare tale comportamento nelle aree tecnologiche, spaziando dall'acustica all'elettronica, senza perdere di vista la bellezza sottostante che guidava Hermann Weyl.