Un type particulier de particule élémentaire, les fermions de Weyl, ont été découverts pour la première fois il y a quelques années. Leur spécialité :ils se déplacent dans un matériau d'une manière bien ordonnée qui ne les laisse pratiquement jamais entrer en collision les uns avec les autres et est donc très économe en énergie. Cela ouvre des possibilités intrigantes pour l'électronique du futur. Jusqu'à maintenant, Les fermions de Weyl n'avaient été trouvés que dans certains matériaux non magnétiques. Maintenant cependant, pour la toute première fois, des scientifiques de l'Institut Paul Scherrer PSI ont prouvé expérimentalement leur existence dans un autre type de matériau :un para-aimant à fluctuations magnétiques lentes intrinsèques. Cette découverte montre également qu'il est possible de manipuler les fermions de Weyl avec de petits champs magnétiques, permettant potentiellement leur utilisation en spintronique, un développement prometteur en électronique pour une nouvelle technologie informatique. Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue scientifique Avancées scientifiques .

Parmi les approches qui pourraient ouvrir la voie à l'électronique économe en énergie du futur, Les fermions de Weyl pourraient jouer un rôle intrigant. Trouvé expérimentalement uniquement à l'intérieur de matériaux sous forme de quasi-particules, ils se comportent comme des particules qui n'ont pas de masse. Prédit théoriquement en 1929 par le mathématicien Hermann Weyl, leur découverte expérimentale par des scientifiques du PSI n'est intervenue qu'en 2015. Les fermions de Weyl n'avaient été observés que dans certains matériaux non magnétiques. Maintenant cependant, une équipe de scientifiques du PSI avec des chercheurs aux USA, Chine, L'Allemagne et l'Autriche les ont également trouvées dans un matériau paramagnétique spécifique. Cette découverte pourrait rapprocher un peu plus une utilisation potentielle des fermions de Weyl dans la future technologie informatique.

Recherche de fluctuations magnétiques lentes

"La partie difficile, " dit Junzhang Ma, chercheur postdoctoral au PSI et premier auteur de la nouvelle étude, "était d'identifier un matériau magnétique approprié dans lequel rechercher ces fermions de Weyl." Pendant des années, bien que l'hypothèse théorique acceptée ait été que dans certains matériaux magnétiques, les fermions de Weyl pouvaient exister par eux-mêmes, la preuve expérimentale de cela manquait encore malgré les efforts considérables de plusieurs groupes de recherche dans le monde. L'équipe de scientifiques du PSI a alors eu l'idée de s'intéresser à un groupe spécifique de matériaux magnétiques :les para-aimants à fluctuations magnétiques lentes.

"Dans des matériaux paramagnétiques spécifiques, ces fluctuations magnétiques intrinsèques pourraient suffire à créer une paire de fermions de Weyl, " dit Ming Shi, qui est professeur dans le même groupe de recherche que Ma :the Spectroscopy of Novel Materials Group. "Mais nous avons compris que les fluctuations devaient être suffisamment lentes pour que les fermions de Weyl apparaissent. A partir de ce moment, identifier quel matériau pourrait avoir des fluctuations magnétiques suffisamment lentes est devenu notre principal défi."

Puisque le temps caractéristique des fluctuations magnétiques n'est pas une caractéristique qui peut être vérifiée dans un ouvrage de référence pour chaque matériau, il a fallu du temps et des efforts aux chercheurs pour trouver un matériau approprié pour leur expérience. L'analyse du modèle en physique théorique également effectuée au PSI les a aidés à identifier un candidat prometteur avec des fluctuations magnétiques lentes :le matériau avec la notation chimique EuCd 2 Comme 2 :Europium-Cadmium-Arsenic. Et en effet, dans ce matériau paramagnétique, les scientifiques ont pu prouver expérimentalement les fermions de Weyl.

Mesures avec des muons et des rayons X

Les scientifiques ont utilisé deux des grandes installations de recherche du PSI pour leurs expériences :ils ont utilisé la source suisse de muons (SμS) pour mesurer et mieux caractériser les fluctuations magnétiques de leur matériau. Ensuite, ils ont visualisé les fermions de Weyl avec une méthode de spectroscopie aux rayons X à la source lumineuse suisse SLS.

"Ce que nous avons prouvé ici, c'est que les fermions de Weyl peuvent exister dans une plus large gamme de matériaux qu'on ne le pensait auparavant, ", explique Junzhang Ma. Les recherches des scientifiques élargissent ainsi considérablement la gamme de matériaux considérés comme viables dans la recherche de matériaux adaptés à l'électronique du futur. Dans un domaine de développement appelé spintronique, Les fermions de Weyl pourraient être utilisés pour transporter des informations avec une efficacité bien supérieure à celle obtenue par les électrons dans la technologie actuelle.