Un metodo per osservare una nuova classe di materiali topologici, chiamati semimetalli Weyl, è stato sviluppato da ricercatori della Penn State, MIT, Università di Tohoku, Giappone e l'Istituto indonesiano delle scienze. Le insolite proprietà elettroniche del materiale potrebbero essere utili nell'elettronica futura e nella fisica quantistica.

"I semimetalli Weyl sono interessanti perché il loro trasporto di elettroni mostra un comportamento insolito, "dice Shengxi Huang, professore assistente di ingegneria elettrica, Penn State. "Per esempio, possono mostrare magnetoresistenza negativa, il che significa che quando applichi un campo magnetico, la resistenza cala. Con molti materiali convenzionali, aumenta."

Nei semimetalli Weyl, la struttura della banda elettronica è diversa dal normale. Gli elettroni hanno chiralità, che significa "mano". La chiralità è collegata allo spin degli elettroni e alla direzione di marcia. Gli elettroni con chiralità sinistra viaggiano nella direzione opposta al suo spin, mentre gli elettroni con chiralità giusta viaggiano nella stessa direzione del suo spin.

"Normalmente, un materiale avrebbe un qualche tipo di conservazione, Per esempio, conservazione della neutralità della carica, nel senso che se avessi un certo numero di cariche negative avresti lo stesso numero di cariche positive, "Secondo Kunyan Zhang, Studente laureato di Huang e autore principale di un articolo sulla rivista Revisione fisica B . "Allo stesso modo, normalmente avresti anche lo stesso numero di elettroni destrorsi di quelli mancini. Ma questo non è il caso di questo materiale e questo sembra aumentare le nuove proprietà di trasporto degli elettroni".

Il team ha deciso di utilizzare la luce per studiare il comportamento peculiare degli elettroni perché è semplice da usare e più facile rispetto alla costruzione di dispositivi sofisticati. La luce interagisce con gli elettroni e anche con il reticolo, facendo vibrare gli atomi, creazione di fononi. I fononi e gli elettroni interagiscono ei segnali Raman, la differenza tra il laser e la luce diffusa, possono mostrare il comportamento insolito degli elettroni.

Il risultato principale del lavoro dei ricercatori è dimostrare che la simmetria del materiale è rotta. In linea di principio, questo materiale cristallino dovrebbe avere una simmetria quadrupla, il che significa che quando il cristallo viene ruotato di 90 gradi la proprietà è esattamente la stessa. Però, in questo studio, se il semimetallo Weyl viene ruotato di 90 gradi, c'è una deviazione dalla simmetria.

Inoltre, questo materiale dovrebbe mostrare tre picchi nello spettro Raman, ma in un'eccitazione a luce rossa da 633 nanometri manca un picco. Questo è peculiare, secondo i ricercatori. La spiegazione sta nella struttura a bande del semimetallo Weyl. Quando gli elettroni interagiscono con la luce, assorbono energia sufficiente per passare a uno stato superiore. Nei semimetalli Weyl, ci sono molti stati superiori molto vicini tra loro. L'interazione tra gli elettroni che saltano su due bande adiacenti può rompere la simmetria.

In questo tipo di materiale, gli elettroni possono fluire senza retrodiffusione in determinate condizioni, rendendolo una buona piattaforma per l'elettronica futura. C'è anche una connessione con l'informatica quantistica, poiché un materiale che non si disperde ha il potenziale per essere utilizzato nei qubit quantistici.

"Forniamo alla comunità un metodo semplice per comprendere il comportamento elettronico di questo materiale, " Concluse Huang. "E questo metodo può essere generalizzato".

Prossimo, il team tenterà di studiare le interazioni fonone/elettrone a temperatura ridotta, sotto i 10 Kelvin, dove il comportamento dovrebbe essere molto diverso.