In uno studio pubblicato su Rapporti scientifici , un gruppo di ricercatori affiliati all'Università statale di San Paolo (UNESP) in Brasile descrive un'importante scoperta teorica che potrebbe contribuire allo sviluppo dell'informatica quantistica e della spintronica (elettronica di spin), una tecnologia emergente che utilizza lo spin dell'elettrone o il momento angolare piuttosto che la carica dell'elettrone per costruire più velocemente, dispositivi più efficienti.

Lo studio è stato sostenuto dalla São Paulo Research Foundation—FAPESP. Il suo investigatore principale era Antonio Carlos Seridonio, un professore nel Dipartimento di Fisica e Chimica dell'UNESP a Ilha Solteira, Stato di San Paolo. I suoi studenti laureati Yuri Marques, Hanno partecipato anche Willian Mizobata e Renan Oliveira.

I ricercatori hanno osservato che le molecole con la capacità di codificare le informazioni vengono prodotte in sistemi chiamati semimetalli Weyl quando la simmetria di inversione del tempo viene rotta.

Questi sistemi possono essere considerati versioni tridimensionali del grafene e sono associati a tipi molto particolari di oggetti chiamati fermioni di Weyl. Questi sono senza massa, quasi relativistico, particelle chirali - quasi relativistiche perché si muovono in modo simile ai fotoni (le "particelle" fondamentali della luce) e si comportano come se fossero relativistiche, contraendo lo spazio e dilatando il tempo.

Il termine "chirale" si applica a un oggetto che non può essere sovrapposto alla sua immagine speculare. Una sfera è achirale, ma le nostre mani sinistra e destra sono chirali. Nel caso dei fermioni di Weyl, la chiralità li fa comportare come monopoli magnetici, a differenza di tutti gli oggetti magnetici nel mondo banale, che si comportano come dipoli.

I fermioni di Weyl furono proposti nel 1929 dal matematico tedesco, fisico e filosofo Hermann Weyl (1885-1955) come possibile soluzione dell'equazione di Dirac. Formulato dal fisico teorico britannico Paul Dirac (1902-1984), questa equazione combina i principi della meccanica quantistica e della relatività speciale per descrivere il comportamento degli elettroni, quark e altri oggetti.

I fermioni di Weyl sono entità ipotetiche e non sono mai stati osservati liberamente in natura, ma gli studi effettuati nel 2015 hanno dimostrato che possono essere la base per spiegare certi fenomeni.

Simile ai fermioni di Majorana, che risolve anche l'equazione di Dirac, I fermioni di Weyl si manifestano come quasi-particelle nei sistemi molecolari di materia condensata.

Questo campo, in cui convergono la fisica delle alte energie e la fisica della materia condensata, ha mobilitato importanti sforzi di ricerca, non solo per le opportunità che offre per lo sviluppo della scienza di base, ma anche perché le peculiarità di queste quasi-particelle potrebbero un giorno essere utilizzate nell'informatica quantistica per codificare le informazioni.

Il nuovo studio condotto presso l'UNESP Ilha Solteira è avanzato in quella direzione. "Il nostro studio teorico si è concentrato su molecole costituite da atomi ampiamente separati. Queste molecole non sarebbero praticabili al di fuori del contesto Weyl perché la distanza tra gli atomi impedisce loro di formare legami covalenti e quindi di condividere gli elettroni. Abbiamo dimostrato che la chiralità della diffusione degli elettroni nei semimetalli Weyl porta alla formazione di legami chimici magnetici, " disse Seridonio.

Esempi di semimetalli Weyl includono arseniuro di tantalio (TaAs), arseniuro di niobio (NbAs) e fosfuro di tantalio (TaP).

"In questi materiali, I fermioni di Weyl svolgono un ruolo analogo a quello degli elettroni nel grafene. Però, il grafene è un sistema quasi-2-D, considerando che questi materiali sono completamente 3-D, " disse Seridonio.

Lo studio teorico ha mostrato che i fermioni di Weyl in questi sistemi appaiono come scissioni nei fermioni di Dirac, una categoria comprendente tutte le particelle materiali del cosiddetto Modello Standard, con la possibile eccezione dei neutrini.

Queste scissioni si verificano nei punti in cui la banda di conduzione (lo spazio in cui circolano gli elettroni liberi) tocca la banda di valenza (lo strato più esterno di elettroni negli atomi).

"Una rottura di simmetria rende questo punto, il nodo di Dirac, diviso in una coppia di nodi di Weyl con chiralità opposte. Nel nostro studio, abbiamo rotto la simmetria di inversione temporale, " disse Seridonio.

La simmetria dell'inversione del tempo significa essenzialmente che un sistema rimane lo stesso se il flusso del tempo viene invertito. "Quando questa simmetria è rotta, la molecola risultante ha orbitali spin-polarizzati."

Nei normali sistemi molecolari, gli elettroni spin-up e gli elettroni spin-down sono distribuiti uniformemente nella nuvola di elettroni. Questo non è il caso dei sistemi Weyl.

"Il risultato è una molecola in cui le nuvole di elettroni spin-up e spin-down sono spazialmente differenti. Questa particolarità può essere utilizzata per codificare informazioni perché la molecola può essere associata al sistema binario, che è il bit o l'unità di base dell'informazione, " disse Seridonio.