Un particolare tipo di particella elementare, i fermioni di Weyl, sono stati scoperti per la prima volta alcuni anni fa. La loro specialità:si muovono attraverso un materiale in modo ben ordinato che praticamente non li fa mai scontrare l'uno con l'altro ed è quindi molto efficiente dal punto di vista energetico. Questo apre interessanti possibilità per l'elettronica del futuro. Fino ad ora, I fermioni di Weyl erano stati trovati solo in alcuni materiali non magnetici. Ora però, per la prima volta, gli scienziati del Paul Scherrer Institute PSI hanno dimostrato sperimentalmente la loro esistenza in un altro tipo di materiale:un paramagnete con intrinseche lente fluttuazioni magnetiche. Questa scoperta mostra anche che è possibile manipolare i fermioni di Weyl con piccoli campi magnetici, potenzialmente consentendo il loro uso in spintronica, un promettente sviluppo dell'elettronica per una nuova tecnologia informatica. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista scientifica Progressi scientifici .

Tra gli approcci che potrebbero aprire la strada all'elettronica efficiente dal punto di vista energetico del futuro, I fermioni di Weyl potrebbero svolgere un ruolo interessante. Trovato sperimentalmente solo all'interno di materiali come le cosiddette quasi-particelle, si comportano come particelle prive di massa. Predetto teoricamente nel 1929 dal matematico Hermann Weyl, la loro scoperta sperimentale da parte degli scienziati del PSI è arrivata solo nel 2015. Finora, I fermioni di Weyl erano stati osservati solo in alcuni materiali non magnetici. Ora però, un team di scienziati del PSI insieme a ricercatori negli Stati Uniti, Cina, Anche Germania e Austria li hanno trovati in uno specifico materiale paramagnetico. Questa scoperta potrebbe avvicinare un potenziale utilizzo dei fermioni di Weyl nella futura tecnologia informatica.

Alla ricerca di fluttuazioni magnetiche lente

"La parte difficile, "dice Junzhang Ma, ricercatore postdottorato al PSI e primo autore del nuovo studio, "era identificare un materiale magnetico adatto in cui cercare questi fermioni di Weyl". Per anni, sebbene l'assunto teorico accettato fosse che in certi materiali magnetici i fermioni di Weyl potessero esistere da soli, la prova sperimentale di ciò mancava ancora nonostante il notevole sforzo di diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo. Il team di scienziati del PSI ha quindi avuto l'idea di rivolgere la propria attenzione a un gruppo specifico di materiali magnetici:i paramagneti con fluttuazioni magnetiche lente.

"In specifici materiali paramagnetici, queste fluttuazioni magnetiche intrinseche potrebbero bastare a creare una coppia di fermioni di Weyl, "dice Ming Shi, che è professore nello stesso gruppo di ricerca di Ma:the Spectroscopy of Novel Materials Group. "Ma abbiamo capito che le fluttuazioni dovevano essere abbastanza lente per far apparire i fermioni di Weyl. Da questo punto in poi, identificare quale materiale potrebbe avere fluttuazioni magnetiche sufficientemente lente è diventata la nostra sfida principale".

Poiché il tempo caratteristico delle fluttuazioni magnetiche non è una caratteristica verificabile in un'opera di riferimento per ogni materiale, i ricercatori hanno impiegato un po' di tempo e sforzi per trovare un materiale adatto per il loro esperimento. L'analisi dei modelli in fisica teorica svolta anche al PSI li ha aiutati a identificare un candidato promettente con fluttuazioni magnetiche lente:il materiale con la notazione chimica EuCd ₂ Come ₂ :Europio-Cadmio-Arsenico. E senza dubbio, in questo materiale paramagnetico, gli scienziati sono stati in grado di dimostrare sperimentalmente i fermioni di Weyl.

Misure con muoni e raggi X

Gli scienziati hanno utilizzato due delle grandi strutture di ricerca del PSI per i loro esperimenti:in primo luogo, hanno impiegato la Swiss Muon Source (SμS) per misurare e caratterizzare meglio le fluttuazioni magnetiche del loro materiale. Successivamente, hanno visualizzato i fermioni di Weyl con un metodo di spettroscopia a raggi X presso la Swiss Light Source SLS.

"Quello che abbiamo dimostrato qui è che i fermioni di Weyl possono esistere in una gamma di materiali più ampia di quanto si pensasse in precedenza, " afferma Junzhang Ma. La ricerca degli scienziati amplia così notevolmente la gamma di materiali considerati praticabili nella ricerca di materiali adatti all'elettronica del futuro. All'interno di un'area di sviluppo chiamata spintronica, I fermioni di Weyl potrebbero essere usati per trasportare informazioni con un'efficienza molto più elevata di quella ottenuta dagli elettroni nella tecnologia odierna.