Dans une étude publiée dans Rapports scientifiques , un groupe de chercheurs affiliés à l'Université d'État de São Paulo (UNESP) au Brésil décrit une découverte théorique importante qui pourrait contribuer au développement de l'informatique quantique et de la spintronique (électronique de spin), une technologie émergente qui utilise le spin des électrons ou le moment angulaire plutôt que la charge des électrons pour construire plus rapidement, appareils plus efficaces.

L'étude a été soutenue par la Fondation de recherche de São Paulo—FAPESP. Son chercheur principal était Antonio Carlos Seridonio, professeur au Département de physique et de chimie de l'UNESP à Ilha Solteira, État de São Paulo. Ses étudiants diplômés Yuri Marques, Willian Mizobata et Renan Oliveira y ont également participé.

Les chercheurs ont observé que des molécules capables de coder des informations sont produites dans des systèmes appelés semi-métaux de Weyl lorsque la symétrie d'inversion du temps est brisée.

Ces systèmes peuvent être considérés comme des versions tridimensionnelles du graphène et sont associés à des types d'objets très particuliers appelés fermions de Weyl. Ceux-ci sont sans masse, quasi-relativiste, particules chirales - quasi-relativistes car elles se déplacent de la même manière que les photons (les "particules" fondamentales de la lumière) et se comportent comme si elles étaient relativistes, espace de contraction et temps de dilatation.

Le terme "chiral" s'applique à un objet qui ne peut pas être superposé à son image miroir. Une sphère est achirale, mais nos mains gauche et droite sont chirales. Dans le cas des fermions de Weyl, la chiralité les fait se comporter comme des monopôles magnétiques, contrairement à tous les objets magnétiques du monde trivial, qui se comportent comme des dipôles.

Les fermions de Weyl ont été proposés en 1929 par le mathématicien allemand, physicien et philosophe Hermann Weyl (1885-1955) comme solution possible à l'équation de Dirac. Formulé par le physicien théoricien britannique Paul Dirac (1902-1984), cette équation combine les principes de la mécanique quantique et de la relativité restreinte pour décrire le comportement des électrons, quarks et autres objets.

Les fermions de Weyl sont des entités hypothétiques et n'ont jamais été observés librement dans la nature, mais des études réalisées en 2015 ont montré qu'elles peuvent servir de base à l'explication de certains phénomènes.

Semblable aux fermions de Majorana, qui résolvent aussi l'équation de Dirac, Les fermions de Weyl se manifestent sous forme de quasi-particules dans les systèmes moléculaires de la matière condensée.

Ce champ, où convergent la physique des hautes énergies et la physique de la matière condensée, a mobilisé d'importants efforts de recherche, non seulement à cause des opportunités qu'elle offre pour le développement de la science fondamentale mais aussi parce que les particularités de ces quasi-particules pourraient un jour être utilisées en informatique quantique pour coder l'information.

La nouvelle étude menée à l'UNESP Ilha Solteira a avancé dans cette direction. "Notre étude théorique s'est concentrée sur des molécules composées d'atomes largement séparés. Ces molécules ne seraient pas viables en dehors du contexte de Weyl car la distance entre les atomes les empêche de former des liaisons covalentes et donc de partager des électrons. Nous avons démontré que la chiralité de la diffusion des électrons dans les semi-métaux de Weyl conduit à la formation de liaisons chimiques magnétiques, " a dit Seridonio.

Des exemples de semi-métaux Weyl comprennent l'arséniure de tantale (TaAs), l'arséniure de niobium (NbAs) et le phosphure de tantale (TaP).

« Dans ces matériaux, Les fermions de Weyl jouent un rôle analogue à celui des électrons dans le graphène. Cependant, le graphène est un système quasi-2-D, alors que ces matériaux sont entièrement en 3-D, " a déclaré Seridonio.

L'étude théorique a montré que les fermions de Weyl dans ces systèmes apparaissent comme des scissions dans les fermions de Dirac, une catégorie comprenant toutes les particules matérielles du modèle dit standard, à l'exception possible des neutrinos.

Ces divisions se produisent aux points où la bande de conduction (l'espace dans lequel circulent les électrons libres) touche la bande de valence (la couche la plus externe d'électrons dans les atomes).

"Une rupture de symétrie fait ce point, le nœud de Dirac, divisé en une paire de nœuds de Weyl avec des chiralités opposées. Dans notre étude, nous avons brisé la symétrie d'inversion du temps, " a déclaré Seridonio.

La symétrie d'inversion du temps signifie essentiellement qu'un système reste le même si l'écoulement du temps est inversé. "Quand cette symétrie est brisée, la molécule résultante a des orbitales polarisées en spin."

Dans les systèmes moléculaires usuels, les électrons de spin-up et les électrons de spin-down sont uniformément répartis dans le nuage d'électrons. Ce n'est pas le cas dans les systèmes Weyl.

"Le résultat est une molécule dans laquelle les nuages ​​d'électrons de spin-up et de spin-down sont spatialement différents. Cette particularité peut être utilisée pour coder des informations car la molécule peut être associée au système binaire, qui est le bit ou l'unité de base de l'information, " a déclaré Seridonio.