Tras 86 años observan cuasipartículas de tipo fermión de Weyl en un cristal de TaAs

Dibujo20150728 Crystal structure and electronic structure of TaAs - science mag Los fermiones de Weyl fueron teorizados en 1929. Hasta 1998 se pensaba que los neutrinos eran fermiones de Weyl. En algunos aislantes topológicos hay cuasipartículas de electrones que se propagan por su superficie como fermiones de Weyl. Se publica en Science la primera observación directa de fermiones de Weyl en arseniuro de tantalio (TaAs), que se comporta como una semimetal de Weyl. Los fermiones de Weyl se observan a pares conectados por los llamados arcos de Fermi. El nuevo artículo ha observado los arcos de Fermi, tanto en la superficie del cristal como en su interior (bulk).

El año 2015 pasará a los libros de historia de la física como el año de los fermiones de Weyl y de los semimetales de Weyl. El artículo es Su-Yang Xu et al., “Discovery of a Weyl Fermion semimetal and topological Fermi arcs,” Science, AOP 16 Jul 2015, doi: 10.1126/science.aaa9297, arXiv:1502.03807 [cond-mat.mes-hall]); este descubrimiento experimental culmina la predicción teórica realizada por el mismo grupo de investigadores: Shin-Ming Huang et al., “A Weyl Fermion semimetal with surface Fermi arcs in the transition metal monopnictide TaAs class,” Nature Communications 6: 7373, 12 Jun 2015, doi: 10.1038/ncomms8373.

Por cierto, también se ha publicado en Science otro artículo que observa los fermiones de Weyl, pero en un análogo óptico (un cristal fotónico) para un semimetal de Weyl, en concreto, Ling Lu et al., “Experimental Observation of Weyl Semimetals,” Science, AOP 16 Jul 2015, doi:10.1126/science.aaa9273, arXiv:1502.03438 [cond-mat.mtrl-sci].

Si no sabes lo que son los fermiones de Weyl te recomiendo leer “Fermiones de Weyl y semimetales de Weyl,” LCMF, 23 Jul 2015; también puedes leer a Douglas Natelson, “What are Weyl fermions? Do they really move charge 1000x faster?,” Nanoscale Views, 27 Jul 2015.

Dibujo20150728 weyl fermion nodes and topological fermi arcs - science mag

El artículo del grupo de Zahid Hasan (Univ. Princeton, EEUU) han observado los arcos de Fermi en un cristal de TaAs usando espectroscopia de fotoemisión tipo ARPES (Angle Resolved Photoemission Spectroscopy); en concreto una combinación de ARPES de baja fotoenergía (LE-ARPES) para observar lo arcos superficiales y de ARPES de rayos X suaves (SX-ARPES) para observar los arcos interiores. En los extremos de los arcos de Fermi se ha observado una relación de dispersión lineal (conos de Weyl) lo que hace que la observación sea bastante firme.

Dibujo20150728 observation of bulk weyl fermion cones and weyl nodes in taas - science mag

Esta figura muestra las curvas de dispersión experimentales, en buen acuerdo con las predicciones teóricas. La energía de las cuasipartículas depende linealmente de su momento E~p (en las figuras depende del número de onda E~k). Se observan los conos de Weyl para los fermiones de Weyl de quiralidad derecha (dextrógiros) e izquierda (levógiros). Para entender estos resultados, a quien no haya visto previamente figuras obtenidas con ARPES para la estructura de bandas electrónicas de un material, le recomiendo comparar estos resultados con los obtenidos para semimetales de Dirac, que propagan fermiones de Dirac sin masa y presentan conos de Dirac en lugar de conos de Weyl, p.ej. en “Un material tridimensional que imita al grafeno,” LCMF, 25 Feb 2014.

Dibujo20150728 observation of topological fermi arc surface states on 001 surface taas - science magLo más característico de los semimetales de Weyl son los arcos de Fermi que conectan las parejas de fermiones de Weyl. Los resultados obtenidos con SX-ARPES son espectaculares (sobre todo cuando se colorea la intensidad en unidades arbitrarias entre rojo y azul). No quiero entras en más detalles técnicos. De hecho, los dos artículos del grupo de Hasan explican bastante bien estos detalles (recomiendo leer primero el teórico y luego el experimental).

¿Para qué sirven los fermiones de Weyl? Por ahora, sólo para realizar investigación básica. Soñar con futuros ordenadores ultrarrápidos de semimetales de Weyl es como soñar con futuros ordenadores ultrarrápidos de semimetales de Dirac (grafeno y similares). Sólo un sueño. El control de los fermiones de Weyl no ha sido demostrado. Sólo los hemos observado. Quedan lustros para que seamos capaces de hacer cosas con ellos de forma controlada. Queda mucha investigación apasionante por realizar en este campo.

Dibujo20150729 weyl points in photonic crystal - science mag

En cuanto al otro artículo, se han observado fermiones de Weyl en un cristal fotónico macroscópico para microondas. La estructura tridimensional está formada por elementos (giroides) repetidos de forma periódica en forma de planchas de 304 mm de lado y 4,25 mm de grosor que se apilan unas sobre otras (en concreto 18 planchas).

Dibujo20150729 fabrication of gyroids by drilling periodic holes - science mag

Desde un punto de visto teórico se trata de un buen análogo óptico para un semimetal de Weyl ya que se observan fermiones de Weyl y arcos de Fermi. Pero, claro, no es lo mismo observarlos en un análogo óptico que un material aislante topológico de verdad. Aún así, se trata de un trabajo muy interesante. Quizás si se construye un análogo micrométrico será mucho más interesante desde el punto de vista aplicado.


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