Las longitudes de onda de luz del infrarrojo medio son invisibles para el ojo pero pueden ser útiles para una serie de tecnologías, incluida la visión nocturna, la detección térmica y el monitoreo ambiental. Ahora, un nuevo fenómeno en un metal no convencional, encontrado por físicos en el MIT yen otros lugares, podría proporcionar una nueva forma de hacer detectores altamente sensibles para estas elusivas longitudes de onda. El fenómeno está estrechamente relacionado con una partícula que ha sido predicha por físicos de alta energía pero nunca observada.
Los físicos agrupan todas las partículas fundamentales de la naturaleza en dos categorías, fermiones y bosones, de acuerdo con una propiedad llamada espín. Los fermiones, a su vez, tienen tres tipos: Dirac, Majorana y Weyl. Los fermiones de Dirac incluyen los electrones en metales regularescomo el cobre o el oro. Las otras dos son partículas no convencionales que pueden dar lugar a una física extraña y fundamentalmente nueva, que potencialmente puede usarse para construir circuitos y otros dispositivos más eficientes.
El fermión de Weyl fue teorizado por primera vez hace casi un siglo por el físico alemán Hermann Weyl. Aunque su existencia se postula como parte de las ecuaciones que forman el modelo estándar ampliamente aceptado de la física subatómica, los fermiones de Weyl nunca se han observado experimentalmente.La teoría predice que deberían moverse a la velocidad de la luz y, al mismo tiempo, girar sobre la dirección del movimiento. Vienen en dos variedades dependiendo de si su rotación alrededor de la dirección del movimiento es en sentido horario o antihorario. Esta propiedad es conocidacomo la mano o quiralidad de los fermiones de Weyl.
Aunque los fermiones de Weyl nunca se han observado directamente, los investigadores han observado recientemente un fenómeno que imita aspectos esenciales de sus propiedades teorizadas, en una clase de metales no convencionales conocidos como semimetales de Weyl. Un desafío restante era medir experimentalmente la quiralidad de estos Weylfermiones, que evadieron la detección de la mayoría de las técnicas experimentales estándar.
en un artículo publicado en la revista Física de la naturaleza , un equipo del MIT pudo medir la quiralidad del fermión de Weyl utilizando luz polarizada circularmente. Este trabajo fue realizado por los posdoctorales del MIT Qiong Ma y Su-Yang Xu; los profesores de física Nuh Gedik, Pablo Jarillo-Herrero y Patrick Lee; y ochootros investigadores en el MIT y otras universidades en los EE. UU., China y Singapur.
Específicamente, los investigadores encontraron que un metal llamado arseniuro de tantalio, o TaAs, "exhibe una propiedad optoelectrónica interesante llamada efecto fotogalvánico circular", dice Gedik, profesor asociado en el Departamento de Física. Convencionalmente, la conducción eléctrica requiere la aplicación de un dispositivo externovoltaje a través de los dos extremos de un metal como el cobre. Por el contrario, los investigadores encontraron en este trabajo que, al iluminar la luz polarizada circularmente en el rango de longitud de onda del infrarrojo medio, los TaA pueden producir una corriente eléctrica sin aplicar voltajes externos.Además, la dirección de la corriente está dictada por la quiralidad de los fermiones de Weyl y se puede cambiar cambiando la polarización de la luz de izquierda a derecha.
La cantidad de corriente generada de esta manera resulta ser sorprendentemente grande: 10 a 100 veces más fuerte que la respuesta de otros materiales utilizados para detectar este tipo de luz. Esto podría hacer que el material sea útil para detectores de luz extremadamente sensibles en esteparte infrarroja media del espectro.
"A pesar de que se predijo hace mucho tiempo, los fermiones de Weyl nunca se han observado como una partícula fundamental en la física de partículas", explica Gedik. Pero los nuevos experimentos, dice, han demostrado que en estos metales no convencionales, los electrones ordinarios "pueden comportarsede una manera extraña para que su movimiento imite el comportamiento de los fermiones de Weyl "y pueda exhibir una gama de propiedades novedosas".
A lo largo de los años desde la hipótesis original de Weyl, "Mucha gente sospechaba que los neutrinos eran fermiones de Weyl", dice Xu. Los neutrinos son partículas subatómicas que atraviesan el universo casi a la velocidad de la luz y durante mucho tiempo se pensó que no tenían masa en absoluto, al igual que los fermiones Weyl propuestos. Pero luego, cuando se descubrió que los neurinos en realidad tenían una masa pequeña pero medible, se descartó esa posibilidad, y los fermiones Weyl reales todavía nunca se han observado ". Pero la forma en que el comportamiento delos electrones en semimetales como TaAs imitan de cerca lo que se predijo para los fermiones de Weyl, lo que respalda la teoría original de Weyl ", dice Ma.
Los electrones "pueden comportarse como fermiones de Weyl en esos metales", dice Ma. "Siempre vienen en pares que siempre tienen una quiralidad opuesta".
Mientras que otros habían observado algunos de los comportamientos inusuales de los electrones en estos materiales, nadie había podido sondear previamente el aspecto clave de los fermiones de Weyl, es decir, su giro hacia la izquierda o hacia la derecha. Pero en esta investigación ", pensamos"Una forma de medir la quiralidad", dice Xu, al usar luz polarizada circularmente para activar la corriente eléctrica, y al mostrar que las polarizaciones de luz opuestas causan que la corriente se mueva en direcciones opuestas. Al medir la corriente usando electrodos unidos al material para diferentespolarizaciones de luz, pudieron deducir la quiralidad de los fermiones de Weyl responsables de esta corriente.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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