Uma equipe internacional de esquisadores teorizam que uma nova partícula existe em um material conhecido como ditelureto tungstênio (WTe2), que os pesquisadores comparam a um "universo material", pois contém várias partículas, algumas das quais existem em condições normais em nosso universo e os outros que pode existir apenas nesses tipos especializados de cristais.
"Ainda mais intrigante é a perspectiva de encontrar mais partículas elementares '' em outros sistemas de matéria condensada", dizem os pesquisadores. "Que tipo de outras partículas podem ser escondidos na variedade infinita de universos materiais? A grande variedade de férmions emergentes nestes materiais só começou a ser desvendado."
A equipe de pesquisadores previu a existência de um novo tipo de partícula chamada do tipo II-fermion Weyl em materiais metálicos. Quando submetido a um campo magnético, os materiais que contêm o acto de partícula como isoladores para corrente aplicada em algumas instruções e como condutores de corrente aplicada em outras direcções.
"Um de imaginação pode ir mais longe e perguntar se partículas que são desconhecidos para teoria quântica de campos relativista pode surgir em matéria condensada", disse Bernevig. Não há razão para acreditar que podem, de acordo com os pesquisadores. A pesquisa foi publicada na revista Nature desta semana.
A nova partícula é um primo do fermion Weyl, uma das partículas em teoria quântica de campos padrão. No entanto, as exposições de partículas tipo-II próprias respostas diferentes a campos electromagnéticos, sendo um condutor perfeito perto em algumas direções do campo e um isolante em outros.
A pesquisa foi conduzida pela Universidade de Princeton Professor Associado de Física B. Andrei Bernevig, bem como Matthias Troyer e Alexey Soluyanov da ETH Zurich, e Xi Dai da Academia Chinesa de Ciências Instituto de Física. A equipe incluiu pós-doutorado Research Associates Zhijun Wang em Princeton e QUANSHENG Wu na ETH Zurique, ea estudante Dominik Gresch na ETH Zurique.
A existência da partícula foi perdido pelo físico Hermann Weyl durante o desenvolvimento inicial da teoria quântica de 85 anos atrás, dizem os pesquisadores, porque violou uma regra fundamental, chamada simetria de Lorentz, que não se aplica nos materiais em que o novo tipo de fermion surge.
Partículas em nosso universo são descritas pela teoria quântica de campos relativista, que combina a mecânica quântica com a teoria da relatividade de Einstein. De acordo com esta teoria, os sólidos são formados de átomos que consistem de um núcleo rodeado por electrões. Por causa do grande número de elétrons que interagem uns com os outros, não é possível resolver exatamente o problema do movimento de muitos elétrons em sólidos utilizando a teoria da mecânica quântica.
Em vez disso, nosso conhecimento atual dos materiais é derivado de uma perspectiva simplificada onde os elétrons em sólidos são descritos em termos de partículas não interagindo especiais, chamados quasiparticles, que se movem no campo eficaz criado por entidades carregadas, chamadas íons e elétrons. Estes quasiparticles, apelidado elétrons Bloch, também são férmions.
Assim como os elétrons são partículas elementares em nosso universo, os elétrons Bloch pode ser considerado as partículas elementares de um sólido. Em outras palavras, o próprio cristal torna-se um "universo", com as suas próprias partículas elementares.
Nos últimos anos, os pesquisadores descobriram que um "universo material" como pode hospedar todas as outras partículas da teoria quântica de campos relativista. Três destes quasipartículas, de Dirac, Majorana, e fermiones Weyl, foram descobertos em tais materiais, apesar do facto de que os dois últimos há muito sido elusiva em experiências, abrindo o caminho para simular certas previsões da teoria quântica de campos em relativamente barato e pequeno -scale experimentos realizados nestes cristais "matéria condensada".
Estes cristais podem ser cultivadas em laboratório, de modo que pode ser feito experiências para procurar o férmion recém previsto no WTe2 e um outro material candidato, molibdénio ditelureto (MoTe2).
O universo descrito pela teoria quântica de campos está sujeito à restrição rigorosa de um determinado conjunto de regras, ou simetria, conhecida como simetria de Lorentz, que é característica de partículas de alta energia. No entanto, a simetria de Lorentz não se aplica em matéria condensada porque velocidades típicas de elétrons em sólidos são muito pequenos em comparação com a velocidade da luz, tornando física da matéria condensada uma teoria de baixa energia inerentemente.
"Pode-se perguntar", disse Soluyanov, "se é possível que alguns universos materiais sediar partículas não-relativistas" elementares "que não são Lorentz-simétrica?"
Esta pergunta foi respondida positivamente pelo trabalho da colaboração internacional. O trabalho começou quando Soluyanov e Dai estavam visitando Bernevig em Princeton, em Novembro de 2014 e a discussão voltou-se para um comportamento inesperado estranha de certos metais em campos magnéticos (Nature 514, 205-208, 2014, doi: 10.1038 / nature13763). Este comportamento já havia sido observado por experimentalistas em alguns materiais, mas é necessário mais trabalho para confirmar que está ligada à nova partícula.
Os pesquisadores descobriram que enquanto a teoria relativista só permite uma única espécie de férmions de Weyl de existir, em sólidos de matéria condensada dois férmions Weyl fisicamente distintos são possíveis. O fermion tipo I Weyl padrão tem apenas dois estados possíveis em que podem residir em energia zero, semelhantes aos estados de um elétron que pode ser tanto spin-up ou spin-down. Como tal, a densidade de estados em energia zero é igual a zero, e o férmion é imune a muitos efeitos interessantes termodinâmicas. Este fermion Weyl existe na teoria de campo relativística, e é a única permitida se a invariância de Lorentz é preservada.
O recém-previu tipo 2 Weyl fermion tem um número termodinâmico de estados em que podem residir em zero de energia - ele tem o que é chamado de uma superfície de Fermi. Sua superfície de Fermi é exótico, em que ele aparece junto com pontos tocantes entre bolsos de elétrons e buracos. Esta dota o novo fermion com uma escala, uma densidade finito de estados, que quebra a simetria Lorentz.
A descoberta abre muitas novas direções. A maioria dos metais normais exibem um aumento da resistividade quando sujeito a campos magnéticos, um efeito conhecido, usado em muitas tecnologias actuais. A previsão recente e realização experimental de fermiones padrão tipo I Weyl em semimetais por dois grupos em Princeton e um grupo da PIO Pequim mostrou que a resistividade pode realmente diminuir se o campo eléctrico é aplicado no mesmo sentido que o campo magnético, um efeito chamado magnetorresistência longitudinal negativo. O novo trabalho mostra que os materiais que hospedam um fermion tipo II Weyl ter comportamento misto: Enquanto para algumas direções dos campos magnéticos a resistividade aumenta assim como em metais normais, para outras direções dos campos, a resistividade pode diminuir como nos semimetais Weyl, oferecendo possíveis aplicações tecnológicas.
O Galaxy diário via Universidade de Princeton
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