Les longueurs d'onde de l'infrarouge moyen sont invisibles à l'œil mais peuvent être utiles pour un certain nombre de technologies, y compris la vision nocturne, détection thermique, et la surveillance de l'environnement. Maintenant, un phénomène nouveau dans un métal non conventionnel, trouvé par des physiciens au MIT et ailleurs, pourrait fournir une nouvelle façon de fabriquer des détecteurs très sensibles pour ces longueurs d'onde insaisissables. Le phénomène est étroitement lié à une particule qui a été prédite par les physiciens des hautes énergies mais jamais observée.

Les physiciens regroupent toutes les particules fondamentales de la nature en deux catégories, fermions et bosons, selon une propriété appelée spin. Les fermions, à son tour, ont trois types :Dirac, Majorane, et Weyl. Les fermions de Dirac incluent les électrons dans les métaux ordinaires tels que le cuivre ou l'or. Les deux autres sont des particules non conventionnelles qui peuvent donner lieu à une physique étrange et fondamentalement nouvelle, qui peut potentiellement être utilisé pour construire des circuits plus efficaces et d'autres dispositifs.

Le fermion de Weyl a été théorisé pour la première fois il y a près d'un siècle par le physicien allemand Hermann Weyl. Même si son existence fait partie des équations qui forment le modèle standard largement accepté de la physique subatomique, Les fermions de Weyl n'ont jamais été observés expérimentalement. La théorie prédit qu'ils devraient se déplacer à la vitesse de la lumière, et, à la fois, tourner dans le sens du mouvement. Ils existent en deux variétés selon que leur rotation dans le sens du mouvement est dans le sens horaire ou antihoraire. Cette propriété est connue sous le nom de maniabilité, ou chiralité, des fermions de Weyl.

Même si les fermions de Weyl n'ont jamais été observés directement, les chercheurs ont récemment observé un phénomène qui imite des aspects essentiels de leurs propriétés théorisées, dans une classe de métaux non conventionnels connus sous le nom de semi-métaux de Weyl. Un défi restant était de mesurer expérimentalement la chiralité de ces fermions de Weyl, qui a échappé à la détection de la plupart des techniques expérimentales standard.

Dans un article publié dans la revue Physique de la nature , une équipe du MIT a pu mesurer la chiralité des fermions de Weyl en utilisant une lumière polarisée circulairement. Ce travail a été réalisé par les post-doctorants du MIT Qiong Ma et Su-Yang Xu; professeurs de physique Nuh Gedik, Pablo Jarillo-Herrero, et Patrick Lee; et huit autres chercheurs du MIT et d'autres universités aux États-Unis, Chine, et Singapour.

Spécifiquement, les chercheurs ont découvert qu'un métal appelé arséniure de tantale, ou TaAs, " présente une propriété optoélectronique intéressante appelée effet photogalvanique circulaire, " dit Gedik, professeur agrégé au Département de physique. Classiquement, la conduction électrique nécessite l'application d'une tension externe aux deux extrémités d'un métal (comme le cuivre). Par contre, les chercheurs ont découvert dans ce travail que, en projetant une lumière polarisée circulairement dans la gamme de longueurs d'onde de l'infrarouge moyen, les TaAs peuvent produire un courant électrique sans appliquer de tensions externes. De plus, la direction du courant est dictée par la chiralité des fermions de Weyl et peut être commutée en changeant la polarisation de la lumière de gauche à droite.

La quantité de courant généré de cette manière s'avère étonnamment importante, 10 à 100 fois plus forte que la réponse d'autres matériaux utilisés pour détecter ce type de lumière. Cela pourrait rendre le matériau utile pour les détecteurs de lumière extrêmement sensibles dans cette partie du spectre infrarouge moyen.

"Bien qu'il ait été prédit il y a longtemps, Les fermions de Weyl n'ont jamais été observés en tant que particule fondamentale en physique des particules, " explique Gedik. Mais les nouvelles expériences, il dit, ont montré que dans ces métaux non conventionnels, les électrons ordinaires "peuvent se comporter d'une manière étrange de sorte que leur mouvement imite le comportement des fermions de Weyl, " et peut présenter une gamme de propriétés nouvelles.

Au fil des années depuis l'hypothèse originale de Weyl, "Beaucoup de gens soupçonnaient que les neutrinos étaient des fermions de Weyl, " dit Xu. Les neutrinos sont des particules subatomiques qui traversent l'univers presque à la vitesse de la lumière et on a longtemps pensé qu'elles n'avaient aucune masse, tout comme les fermions de Weyl posés. Mais alors, quand il a été découvert que les neurinos avaient en fait une masse minuscule mais mesurable, cette possibilité a été écartée, et les fermions de Weyl réels n'ont encore jamais été observés. "Mais la façon dont le comportement des électrons dans les semi-métaux tels que le TaAs imite étroitement ce qui a été prédit pour les fermions de Weyl soutient la théorie originale de Weyl, " dit Maman.

Les électrons "peuvent se comporter comme des fermions de Weyl dans ces métaux, " dit Ma. "Ils viennent toujours par paires qui ont toujours une chiralité opposée."

Alors que d'autres avaient observé certains des comportements inhabituels des électrons dans ces matériaux, personne n'avait auparavant pu sonder l'aspect clé des fermions de Weyl, à savoir leur rotation à gauche ou à droite. Mais dans cette recherche, "nous avons trouvé un moyen de mesurer la chiralité, " Xu dit, en utilisant une lumière polarisée circulairement pour déclencher le courant électrique, et montrant que des polarisations de lumière opposées faisaient se déplacer le courant dans des directions opposées. En mesurant le courant à l'aide d'électrodes fixées sur le matériau pour différentes polarisations lumineuses, ils ont pu déduire la chiralité des fermions de Weyl responsables de ce courant.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.