Simile a un magnete che ha sempre entrambi i poli sud e nord, una specie di quasiparticelle speciali nella materia condensata chiamate "Weyl Fermions" appaiono sempre in coppia con chiralità opposta. Non c'era stato alcun rapporto sperimentale sull'esistenza di punti Weyl spaiati nella materia condensata fino a poco tempo fa, un fisico della City University di Hong Kong (CityU) ha osservato il primo monopolo magnetico Weyl singolare spaiato in un tipo specifico di solido monocristallino.

Il lavoro di ricerca è stato co-guidato dal Dr. Ma Junzhang, Professore assistente nel Dipartimento di Fisica della CityU e scienziati collaboratori dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) in Svizzera. È stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura , intitolato "Osservazione di un punto Weyl singolare circondato da pareti nodali cariche in PtGa".

"Il nostro gruppo è il primo a vedere e registrare un monopolio magnetico Weyl spaiato nell'esperimento. I risultati aprono una nuova strada per cercare le proprietà topologiche di massa dei monopoli magnetici Weyl spaiati nei solidi, che promuoverà la comprensione della fisica topologica di base, e l'applicazione dei semimetalli Weyl nella spintronica, " ha detto il dottor Ma.

Punti di Weyl:proprietà simili con monopoli magnetici

Nel mondo reale, un magnete deve avere contemporaneamente i poli sud e nord. Le moderne teorie fisiche suggeriscono l'esistenza di un monopolio magnetico, cioè un'unità quantistica elementare di magnete con un solo polo. Ma così lontano, non ci sono state prove sperimentali o osservative note dell'esistenza di monopoli magnetici. La ricerca del monopolio magnetico è stato un sogno per la moderna comunità dei fisici.

Allo stesso modo, I punti di Weyl nella materia condensata (compreso il cristallo semimetallico) hanno proprietà simili ai monopoli magnetici. "Perciò, I punti di Weyl nella materia condensata sono anche chiamati monopoli magnetici di Weyl, " ha spiegato il dottor Ma.

Ma c'è una differenza per i punti Weyl, sulla base delle percezioni di molti fisici. È opinione diffusa che l'esistenza di un monopolo magnetico Weyl spaiato nei solidi sia impossibile a causa del noto teorema no-go di Nielsen-Ninomiya. Di conseguenza, si pensa che i monopoli magnetici di Weyl nei semimetalli dovrebbero sempre apparire in coppia con cariche opposte nello spazio del momento 3D. E le proiezioni dei monopoli sulla superficie del singolo cristallo dovrebbero sempre essere collegate da un tipo di stato conduttore chiamato archi di Fermi, che agisce come un canale elettronico che gli elettroni possono trasportare attraverso di esso.

Nessun precedente sperimentale di successo

Considerevoli sforzi teorici sono stati dedicati alla ricerca di monopoli di Weyl spaiati al di là di questo teorema no-go, ma in passato non è stato riportato alcun esperimento riuscito. Molti scienziati pensavano che un tale tipo di "sostanza spaiata" fosse difficile da esistere nei solidi monocristallini.

Ma la dottoressa Ma non la pensava così. Ha cercato migliaia di composti nel database e alla fine ha scoperto che alcune dozzine di loro sono i potenziali candidati che ospitano monopoli Weyl spaiati. I suoi suggerimenti sono stati supportati dai colleghi teorici Dr. Wu Quansheng, e il professor Oleg Yazyev dell'EPFL. Dopo di che, un team guidato dal Dr. Ma e dal Professor Shi Ming del PSI ha iniziato una serie di esperimenti di fotoemissione presso la Swiss Light Source del PSI e ha dimostrato con successo le idee primarie.

Combinando esperimenti di spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) con calcoli della teoria del funzionale della densità, il team di ricerca ha rivelato per la prima volta che monopoli Weyl spaiati possono emergere in vari composti. Nello studiare il candidato promettente, semimetallo cristallo platino gallio (PtGa), il team di ricerca ha identificato 37 monopoli di Weyl nello spazio del momento, e ho scoperto che il sistema ospita 37 punti Weyl numeri dispari con carica +1 o carica -1 che impediscono loro di accoppiarsi insieme.

Hanno anche dimostrato sperimentalmente per la prima volta che un monopolo magnetico spaiato può esistere nello spazio del momento di un solido senza arco di Fermi di superficie. La geometria del punto Weyl spaiato è abbastanza diversa da quella dei normali semimetalli Weyl, quindi le proprietà dovrebbero cambiare in modo significativo in questo nuovo tipo di materiali, che definisce una nuova direzione di studio.

Una nuova direzione di ricerca

Il Dr. Ma crede che la scoperta rivoluzionaria del monopolo magnetico Weyl spaiato possa fornire nuove informazioni sulla fisica fondamentale del monopolo magnetico Weyl nella materia condensata. E le proprietà speciali del monopolo magnetico Weyl, come l'elevata mobilità elettronica, risposta speciale a un campo magnetico esterno e basso tasso di calore, può renderlo un buon candidato per dispositivi informatici spintronici come il calcolo quantistico e il calcolo neuromorfo in futuro.