Des quasiparticules qui se comportent comme des fermions sans masse, connu sous le nom de fermions de Weyl, ont été au centre d'une série de découvertes passionnantes en physique de la matière condensée ces dernières années. Le groupe de physicien Sebastian Huber de l'ETH Zurich rapporte maintenant des expériences dans lesquelles ils ont compris l'une des propriétés déterminantes des fermions de Weyl :leur chiralité.

"Dans mon travail, J'ai toujours essayé d'unir le vrai au beau; quand j'ai dû me décider pour l'un d'eux, J'ai toujours choisi ce qui était beau." Cette citation orne le mur d'une niche dans la salle Hermann Weyl du bâtiment principal de l'ETH Zurich, derrière une sculpture du mathématicien allemand, physicien et philosophe Hermann Weyl, qui a été professeur de mathématiques supérieures à l'ETH de 1913 à 1930.

Pendant ce temps, Weyl a produit une équation d'onde relativiste pour décrire les particules de spin-1/2 sans masse, qui sont maintenant connus sous le nom de fermions de Weyl. Reportage aujourd'hui dans le journal Physique de la nature , Valerio Peri et son collègue Marc Serra-Garcia dans le groupe de Sebastian Huber à l'Institut de physique théorique de l'ETH Zurich, avec Roni Ilan de l'Université de Tel-Aviv (Israël), rapportent une étude expérimentale dans laquelle ils ont observé une caractéristique intrigante et d'une grande portée conceptuelle de la théorie séculaire de Weyl :un champ de fond possible qui se couple différemment aux fermions de Weyl de chiralité opposée.

Des fermions sans masse n'ont jamais été observés dans la nature. Aujourd'hui, on sait que les fermions de Weyl émergent comme des excitations collectives, les quasi-particules, dans les systèmes à plusieurs corps. Ceci a été réalisé expérimentalement en 2015 dans un matériau cristallin, dans lesquels les fermions de Weyl apparaissent comme des points spécifiques dans la structure de la bande électronique. Il a également été démontré que de tels points de Weyl existent dans des structures périodiques artificielles interagissant avec des ondes classiques, en particulier aux ondes électromagnétiques (dans les cristaux photoniques) et aux ondes acoustiques (dans les cristaux phononiques). Peri et ses collègues ont adopté une plate-forme phononique, composé de 4800 soigneusement conçus, Cellules unitaires imprimées en 3D disposées dans une structure en 3D (photo ci-dessus), dans lequel ils interagissent avec les ondes sonores aériennes.

De tels métamatériaux acoustiques sont connus comme des plates-formes appropriées pour explorer la physique de Weyl, mais les chercheurs de l'ETH ont ajouté une tournure importante à l'histoire. Ils ont conçu un champ de fond qui interagit avec les fermions de Weyl d'une manière similaire à la façon dont un champ magnétique interagit avec les excitations électroniques dans un cristal. Comme les ondes sonores ne portent pas de charge, et sont donc inertes aux champs magnétiques, Péri et al. ont dû trouver d'autres moyens de manipuler les quasi-particules de leur système. Ils l'ont fait en variant légèrement la géométrie des mailles élémentaires, de telle sorte que l'emplacement spatial auquel les points de Weyl apparaissent (dans l'espace de quantité de mouvement) variait dans tout l'échantillon. Cette modification fait que leur système acoustique se comporte comme un système électronique immergé dans un champ magnétique, avec une différence importante. Ils ont conçu le champ de fond de telle sorte qu'il se couple différemment aux deux types de fermions de Weyl :ceux avec un moment angulaire intrinsèque (spin) aligné parallèlement à leur moment linéaire, et ceux avec alignement anti-parallèle. En d'autres termes, le champ se couple différemment aux particules en fonction de leur chiralité.

La réalisation d'un champ de fond qui distingue la chiralité est une étape importante, car cela va au cœur de la raison pour laquelle les fermions de Weyl sont si passionnants en physique des particules. Lorsque des fermions de chiralité différente peuvent être manipulés indépendamment les uns des autres, alors les lois de conservation classiques peuvent être brisées au niveau quantique. Par exemple, la charge des fermions d'une chiralité donnée n'est pas conservée. Un tel comportement donne lieu à ce qu'on appelle l'anomalie chirale, qui à son tour pourrait être la clé pour comprendre les caractéristiques centrales du modèle standard de la physique des particules.

Peri et ses collègues ont maintenant démontré l'existence de canaux chiraux distincts, leur donnant un accès indépendant aux fermions de Weyl de chiralité opposée dans un système en vrac. (Des résultats connexes ont déjà été rapportés pour des systèmes électroniques en deux dimensions.) Avoir réalisé un tel comportement profondément enraciné dans la théorie de la physique des hautes énergies avec des ondes sonores de basse énergie interagissant avec un système de matière condensée promet une plate-forme polyvalente pour explorer davantage les phénomènes liés aux fermions de Weyl qui ont été théoriquement prédits, et de prendre de nouvelles mesures pour exploiter ce comportement dans les domaines technologiques, allant de l'acoustique à l'électronique, sans perdre de vue la beauté sous-jacente qui a guidé Hermann Weyl.