Bijzondere deeltjes vertonen paradoxaal gedrag
Theoretisch natuurkundigen onderzoeken een bijzondere klasse van deeltjes; Weyl-fermionen. Die blijken nu paradoxaal gedrag te vertonen, in tegenspraak met een dertig jaar oude fundamentele theorie over elektromagnetisme. Een mogelijke toepassing hiervan is een nieuw soort elektronica—spintronica. Publicatie in Physical Review Letters.
Natuurkundigen splitsen de wereld van elementaire deeltjes op in twee groepen. Aan de ene kant zijn er de krachtvoerende bosonen, en anderzijds hebben we zogenoemde fermionen. Die laatste groep komt in drie verschillende smaken. Dirac-fermionen zijn het bekendste en vormen alle materie, waaronder je computerscherm en zelfs je eigen lichaam. Majorana-fermionen zijn kortgeleden ontdekt en staan wellicht aan de basis van toekomstige quantumcomputers. Weyl-fermionen completeren tenslotte de groep, en vinden hun toepassing mogelijk in een nieuw soort electronica: spintronics. Hun opmerkelijke gedrag in bijvoorbeeld elektromagneten heeft de interesse gewekt van het onderzoeksteam van theoretisch fysicus Carlo Beenakker.
Elektromagneten
Conventionele elektromagneten werken dankzij de sierlijke wisselwerking tussen elektrische stromen en magnetische velden. Binnen een fietsdynamo genereert een draaiende magneet elektriciteit. En vice versa: bewegende elektrische ladingen in een draad gewikkeld rond een metalen staaf induceren een magnetisch veld. Het lijkt onmogelijk dat er daarnaast ook nog een elektrisch veld ontstaat in dezelfde richting binnen de staaf. Dat zou namelijk een magnetisch veld eromheen oproepen, dat op zijn beurt weer een stroom genereert in de tegengestelde richting, zodat het hele concept in elkaar stort.
Vreemd gedrag
Merkwaardig genoeg hebben Beenakker en zijn groep scenario’s gevonden waarin dit daadwerkelijk gebeurt. Naar aanleiding van een idee van collega İnanç Adagideli (Sabanci University) heeft Leids promovendus Thomas O’Brien een computersimulatie gebouwd waarin materialen met Weyl-fermionen dit vreemde gedrag vertonen. Dit is al eerder gezien, maar alleen op kunstmatig korte tijdschalen, wanneer het systeem nog geen tijd heeft gehad om te corrigeren voor kleine afwijkingen. De Leiden/Sabanci-samenwerking laat zien dat onder speciale omstandigheden—bij temperaturen nabij het absolute nulpunt als materalen supergeleidend worden—het bijzondere scenario onophoudelijk doorloopt.
Fundamenteel
Tot op heden achtten natuurkundigen dit onmogelijk vanwege de onderliggende symmetrie in hun modellen. Dat geeft de ontdekking fundamentele betekenis, wat ook de voornaamste drijfveer was voor de Leidse onderzoekers. ‘We bestuderen Weyl-fermionen vooral vanuit een fundamentele interesse,’ zegt O’Brien. ‘Toch geeft dit onderzoek ook meer vrijheid bij het gebruik van magnetisme en materialen. Misschien komt de extra flexibiliteit in een Weyl-materiaal van pas in toekomstige electronica.’
Publicatie
T. E. O'Brien, C. W. J. Beenakker, I. Adagideli, ‘Superconductivity provides access to the chiral magnetic effect of an unpaired Weyl cone’, Physical Review Letters