À TU Wien récemment, des particules connues sous le nom de « fermions de Weyl » ont été découvertes dans des matériaux présentant une forte interaction entre les électrons. Tout comme les particules légères, ils n'ont pas de masse mais néanmoins ils se déplacent extrêmement lentement.

Il y avait une grande excitation en 2015, lorsqu'il a été possible pour la première fois de mesurer ces « fermions de Weyl » - bizarres, particules sans masse qui avaient été prédites près de 90 ans plus tôt par le mathématicien allemand, médecin et philosophe, Hermann Weyl. Maintenant, encore une fois, il y a eu une percée dans ce domaine de recherche, les chercheurs de la TU Wien étant les premiers à détecter avec succès des particules de Weyl dans des systèmes électroniques fortement corrélés, c'est-à-dire matériaux où les électrons ont une forte interaction les uns avec les autres. Dans des matériaux comme celui-ci, les particules de Weyl se déplacent extrêmement lentement, malgré l'absence de masse. La découverte devrait maintenant ouvrir la porte à un tout nouveau domaine de la physique, et permettent des effets matériels-physiques jusqu'ici inimaginables.

Quasiparticules :uniquement possible à l'état solide

Après que le médecin Paul Dirac soit arrivé à son équation de Dirac en 1928, qui peut être utilisé pour décrire le comportement des électrons relativistes, Hermann Weyl a trouvé une solution particulière pour cette équation - à savoir pour les particules de masse nulle, ou « fermions de Weyl ». On pensait à l'origine que le neutrino était une particule de Weyl sans masse, jusqu'à ce qu'on découvre qu'il a effectivement une masse. Les mystérieux fermions de Weyl étaient, En réalité, détecté pour la première fois en 2015; ils se sont avérés ne pas être des particules libres comme le neutrino, qui peut se déplacer dans l'univers indépendamment du reste du monde, mais plutôt des « quasiparticules » à l'état solide.

"Les quasiparticules ne sont pas des particules au sens conventionnel du terme, mais plutôt des excitations d'un système constitué de nombreuses particules en interaction, " explique le professeur Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. Dans un certain sens, ils sont semblables à une vague dans l'eau. L'onde n'est pas une molécule d'eau, il est plutôt basé sur le mouvement de nombreuses molécules. Quand la vague avance, cela ne signifie pas que les particules dans l'eau se déplacent à cette vitesse. Ce ne sont pas les molécules d'eau elles-mêmes, mais leur excitation sous forme d'onde qui se propage.

Cependant, bien que les quasiparticules à l'état solide soient le résultat d'une interaction entre de nombreuses particules, d'un point de vue mathématique, ils peuvent être décrits de la même manière qu'une particule libre dans le vide.

Une "vitesse de la lumière" de seulement 100 m/s

La chose remarquable à propos de l'expérience, menée par Sami Dzsaber et d'autres membres du groupe de recherche sur les matériaux quantiques dirigé par Silke Bühler-Paschen à la TU Wien, est le fait que les particules de Weyl ont été découvertes dans un système électronique fortement corrélé. Ce type de matériau présente un intérêt particulier pour le domaine de la physique du solide :leurs électrons ne peuvent être décrits comme séparés les uns des autres; ils sont fortement interconnectés et c'est précisément cela qui leur confère des propriétés extraordinaires, de la supraconductivité à haute température à de nouveaux types de transitions de phase.

"Les fortes interactions dans de tels matériaux conduisent généralement, via l'effet dit Kondo, aux particules se comportant comme si elles avaient une masse extrêmement importante, " explique Sami Dzsaber. " Il était donc étonnant pour nous de détecter des fermions de Weyl de masse nulle dans ce type particulier de matériau. " D'après les lois de la relativité, les particules libres sans masse doivent toujours se propager à la vitesse de la lumière. C'est, cependant, pas le cas dans les états solides :« Même si nos fermions de Weyl n'ont pas de masse, leur vitesse est extrêmement faible, " dit Bühler-Paschen. L'état solide leur prête dans une certaine mesure sa propre "vitesse de la lumière" fixe. Celle-ci est inférieure à 1000 m/s, c'est-à-dire seulement environ trois millionièmes de la vitesse de la lumière dans le vide. "En tant que tel, ils sont encore plus lents que les phonons, l'analogue de l'onde d'eau à l'état solide, et cela les rend détectables dans notre expérience."

A la recherche de nouveaux effets

En même temps que ces mesures étaient effectuées à la TU Wien, des recherches théoriques étaient menées sous la direction de Qimiao Si à l'Université Rice au Texas - Bühler-Paschen y était professeur invité à l'époque - qui examinaient la question de savoir comment ces fermions de Weyl pourraient même exister dans un matériau fortement corrélé. Cette combinaison d'expérience et de théorie a ainsi produit une image concluante du nouvel effet, qui permet aujourd'hui de mener de nouvelles recherches.

Les quasiparticules nouvellement détectées sont intéressantes pour un certain nombre de raisons :« Même si les fermions de Weyl ont été initialement trouvés dans d'autres matériaux, il est beaucoup plus facile de contrôler l'effet dans nos matériaux fortement corrélés, " dit Silke Bühler-Paschen. " En raison de leur faible énergie, il est beaucoup plus facile de les influencer en utilisant des paramètres tels que la pression ou un champ magnétique externe. » Cela signifie que les fermions de Weyl peuvent également être utilisés pour des applications technologiques.

Les fermions de Weyl ne sont dispersés dans le matériau que de façon minime, ce qui signifie qu'ils peuvent conduire le courant électrique presque sans perte - ceci est d'une grande importance pour l'électronique. Ils sont également susceptibles d'être extrêmement intéressants pour le domaine de la spintronique, un progrès dans l'électronique où non seulement la charge électrique des particules mais aussi leur spin est utilisé. Les fermions de Weyl seront ici intéressants en raison de leur spin particulièrement robuste. La particule devrait également être particulièrement bien adaptée à une utilisation dans les ordinateurs quantiques. "C'est un développement vraiment excitant, " dit Bühler-Paschen.