Σάββατο, 18 Ιουλίου 2015

Weyl Fermions. Ανακάλυψη των Quasiparticles που συμπεριφέρονται σαν άμαζα ηλεκτρόνια

Weyl Fermion
Τα φερμιόνια Weyl αποτελούν ουσιαστικά "οπές" όπου άλλα ηλεκτρόνια θα εμφανίζονταν.
image credit: Shutterstock/general-fmv

Μετά από αναζήτηση διάρκειας 85 ετών, 2 διαφορετικές επιστημονικές ομάδες - του Princeton University στο New Jersey και του MIT - ανίχνευσαν για πρώτη φορά ένα εξωτικό σωματίδιο, το Weyl fermion (Φερμιόνιο Weyl) το οποίο όπως υποστηρίζουν θα μπορούσε να οδηγήσει σε ανάπτυξη ταχύτερων και αποδοτικότερων ηλεκτρονικών, αλλά και νέων τύπων κβαντικής πληροφορικής. Τα ευρήματα και των δύο ερευνητικών ομάδων δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science.

Ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια, κατατάσσονται στην κατηγορία σωματιδίων που καλούμε φερμιόνια (fermions). Σε αντίθεση με την άλλη μεγάλη κατηγορία των μποζονίων (bosons), στην οποία υπάγονται τα φωτόνια, τα φερμιόνια μπορούν να υφίστανται κρούσεις μεταξύ τους, ενώ λόγω της απαγορευτικής αρχής του Pauli, περισσότερα του ενός δεν δύνανται να βρίσκονται στην ίδια κατάσταση και θέση, την ίδια χρονική στιγμή.

Ενώ όλα τα γνωστά μέχρι πρότινος φερμιόνια διέθεταν μάζα, το 1929 προτάθηκε από τον Γερμανό φυσικομαθηματικό Hermann Weyl η θεωρία ύπαρξης άμαζων σωματιδίων που φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, των ομώνυμων φερμιονίων Weyl. Αρχικά τα εν λόγω σωματίδια ταυτοποιήθηκαν εσφαλμένα ως νετρίνα, το 1998 όμως αποδείχτηκε πως τα νετρίνα διαθέτουν μάζα, αν και αμυδρή. Η πρόταση προέβλεπε πως δομούν υποατομικά σωματίδια και πως συμπεριφέρονται ταυτόχρονα ως ύλη και αντιύλη.

Σύμφωνα με τον φυσικό συμπυκνωμένης ύλης Zahid Hasan από το Princeton University:

Tα φερμιόνια Weyl αποτελούν δομικές μονάδες. Μπορείς να συνδυάσεις 2 Weyl fermions για να συνθέσεις ένα ηλεκτρόνιο

Τα Weyl fermions ανιχνεύτηκαν με ρήψη φωτονίων υπεριώδους ή ακτίνων X σε ημιμεταλλικούς κρυστάλλους αρσενικούχου τανταλίου με ιδιότητες ενδιάμεσες μεταξύ μονωτή και αγωγού. Η παρατήρηση έγινε μέσω του telltale effect των φερμιονίων επί της προσπίπτουσας δέσμης. Όπως διαφαίνεται σε δημοσίευση του Ιουνίου στο nature, είχε προβλεφθεί θεωρητικά η δυνατότητα φιλοξενίας των φερμιονίων Weyl ως αναδυόμενα quasiparticles στους ασυνήθιστους αυτούς κρυστάλλους. Για τον λόγο αυτό οι υπό συζήτηση κρύσταλλοι καλούνται και "Ημιμέταλλα Weyl" - Weyl Semimetals -. Τι είναι όμως τα quasiparticles; Τα φερμιόνια Weyl δεν μπορούν να υπάρξουν ως αυτόνομα σωματίδια, αλλά ως μία διαταραχή του μέσου που συμπεριφέρεται σαν σωμάτιο. Τέτοιες διαταραχές καλούνται quasiparticles. Ισοδύναμα, αποτελούν ηλεκτρονική δραστηριότητα που συμπεριφέρεται σαν να επρόκειτο για σωματίδια στον ελεύθερο χώρο.

Το γεγονός πως τα φερμιόνια Weyl δεν έχουν μάζα, συνεπάγεται πως θα μπορούσαν να διακινούν φορτίο εντός των ηλεκτρονικών, με ταχύτητες πολύ μεγαλύτερες από αυτές της διακίνησης μέσω ηλεκτρονίων. Μία πολύ σημαντική ιδιότητα που ευνοεί προς αυτή την κατεύθυνση, είναι πως τα υπό εξέταση σωματίδια δεν μπορούν να κινηθούν προς τα πίσω (δεν οπισθοσκεδάζονται). Ο τρόπος με τον οποίο τα φερμιόνια Weyl αποτρέπονται από την κίνηση προς τα πίσω, παρομοιάζει αυτόν με τον οποίο τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται στα εξωτικά υλικά που καλούνται τοπολογικοί μονωτές.

Τα Weyl fermions, αντί να αναπηδούν στα εμπόδια, είτε κινούνται γύρω από αυτά, ή τα διαπερνούν ταχέως. Είναι σαν να διαθέτουν το δικό τους GPS και να κατευθύνουν τον εαυτό τους χωρίς να σκεδάζονται, σημειώνει ο Zahid Hasan. Χαρακτηρίζονται από σταθερότητα και δεν αλληλεπιδρούν με την ύλη, παρά μόνο με άλλα φερμιόνια Weyl, ενώ διατηρούν την πορεία και την κινητική τους ενέργεια μέχρι αυτό να συμβεί. Κινούνται ανεξάρτητα μεταξύ τους και δημιουργούν αποδοτικά, άμαζα ηλεκτρόνια. Σαν αποτέλεσμα μεταφέρουν το φορτίο σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς να σκεδάζονται ή να προκαλούν θέρμανση του μέσου.

Στον αντίποδα τα ηλεκτρόνια μπορούν να υποστούν οπισθοσκέδαση κατά την σύγκρουσή τους με τα εμπόδια, με αποτέλεσμα τη μείωση της αποδοτικότητας ροής φορτίου, αλλά και την ανάπτυξη θερμότητας.

Zahid Hasan Team - Princeton University - photo: Danielle Alio
Princeton University - Zahid Hasan Team
image credit: Danielle Alio/Princeton University

Ο Zahid Hasan αποφαίνεται σχετικά με τα ημιμέταλλα Weyl:

Ο ηλεκτρισμός εντός των κρυστάλλων αυτών μπορεί (θεωρητικά) να κινηθεί τουλάχιστον 2 φορές ταχύτερα σε σχέση με την ταχύτητα διάδοσής του στο γραφένιο, και 1000 φορές ταχύτερα από ότι στους συμβατικούς ημιαγωγούς

Και οι κρύσταλλοι μπορούν να βελτιωθούν ώστε να αποδίδουν ακόμα καλύτερα. Στόχος προφανώς τα ταχύτερα ηλεκτρονικά με χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση. Σύμφωνα με τον Anton Burkov, καθηγητή φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Waterloo, η κατανάλωση ισχύος και η συνακόλουθη θέρμανση, θέτουν σημαντικούς περιορισμούς στην περαιτέρω αύξηση της ταχύτητας των επεξεργαστών των ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Κατά τον Zahid Hasan, η φυσική που διέπει τα φερμιόνια Weyl είναι τόσο παράξενη, ώστε πολλές ενδεχόμενες εφαρμογές - προσωρινά αδιανόητες - θα μπορούσαν να προκύψουν. Σημαντική και σχετικά προφανής ανάμεσα σε αυτές θεωρείται η ανάπτυξη νέων τύπων κβαντικών υπολογιστών ανθεκτικότερων στην αποδιοργάνωση. Οι κβαντικοί υπολογιστές βασίζονται σε υπερθετικές καταστάσεις που δόκιμα αναφέρονται ως superpositions. Σε αυτές 1 bit μπορεί ουσιαστικά να αντιπροσωπεύσει ταυτόχρονα το 1 και το 0. Οι εν λόγω καταστάσεις επιτρέπουν την επίλυση μέχρι πρότινος απαγορευτικών προβλημάτων, είναι όμως ιδιαίτερα επιρρεπείς σε κατάρρευση αν αλληλεπιδράσουν με το περιβάλλον. Η ιδιότητα των φερμιονίων Weyl να μην αλληλεπιδρούν με το μέσο και το περιβάλλον θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες μεθόδους κωδικοποίησης της κβαντικής πληροφορίας.

references

iflscience.com
spectrum.ieee.org


About the Author

Κώστας Παπαδόπουλος

Administrator

Απόφοιτος του Τμήματος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Πατρών, Web Developer και Blogger

 
Φυσική Επιστήμη - Physics Mag © 2015 - Designed by Templateism.com
Επικοινωνία: info@physicsmag.com