Zhruba před půl rokem jsme na OSLU oslavovali objev tajuplných Weylových fermionů s nulovou hmotností. Jsou to vlastně základní stavební kameny fermionů ve kvantové teorii pole. Nepozorovali jsme je jako částice, ale mohou být realizovány jako kvazičástice, například ve Weylových polokovech (Weyl semimetals). Weylovy polokovy jsou vlastně pevné krystaly, v nichž se jako excitované stavy o nízké energii objevují Weylovy fermiony. A právě Weylův polokov sehrál klíčovou roli v nedávném zajímavém objevu týmu, který vedl Ali Yazdani z Princetonu.

Yazdani a jeho kolegové pozorovali ve Weylově polokovu z vrstev arsenu (As) a tantalu (Ta) doopravdy výstřední chování elektronů. U většiny podobných materiálu, tedy topologických izolátorů, se elektrony pohybují po povrchu. Ve Weylově polokovu se ale elektrony podle všeho zanořují do hloubi krystalu a objevují se na opačné straně. Skoro jako když Alenka Lewise Carrolla prosviští králičí norou do říše divů. Elektrony ve Weylově polokovu ovšem nevyužívají nory vyhloubené savci, ale speciální vodivé kanály. Yazdani k tomu poznamenává, že jde o naprosto unikátní záležitost, která nemá obdoby.

Yazdaniho tým si s elektrony ve Weylově polokovy důkladně pohrál v experimentech. Ukázalo se, že se elektrony zanořují do králičích děr jedině když se pohybují určitou rychlostí a směrem, čemuž badatelé říkají Weylova hybnost (Weyl momentum). Určité hodnoty této hybnosti, zvané Weylovy body (Weyl points), vlastně fungují jako portály pro průchod elektronu skrz Weylův polokov. Podle teorie se navíc Weylovy body objevují v párech, takže když elektron projde skrz, tak se zase vrátí zpátky druhým Weylovým bodem z páru. 

Badatelé přišli na stopu výstředního chování elektronů, když studovali tok elektronů ve Weylových polokovech řádkovacím tunelovým mikroskopem. S tímhle vysoce citlivým zařízením lze jako s jedním z mála pozorovat chování elektronů na povrchu krystalů. Když ale pozorovali elektrony na krystalu arsenidu tantalu, tak s úlekem zjistili, že jim některé elektrony mizejí před očima. Když se do případu zapojili další odborníci na topologické materiály – tedy takové, co vedou elektrony po povrchu, ale nikoliv uvnitř – tak dospěli k vysvětlení. Smysl jim dávalo jedině to, že se elektrony ve Weylových polokovech zanořují dovnitř. Jak už bylo řečeno, jako Alenka na cestě do říše divů.

Nikdo to nepředpokládal, že by tohle bylo možné zjistit pomocí řádkovacího tunelového mikroskopu. Ale stalo se a pro samotné objevitele to prý bylo překvapením. Sklon elektronů prchat ve Weylových polokovech do králičích nor vědce samozřejmě zaujal a jen tak se ho nepustí. Dalším krokem teď pro ně bude pátrat po takovém chování v dalších krystalech. A proč bychom se vůbec měli zajímat o elektrony prolétající říší divů? Když pochopíme chování Weylových polokovů a podobných materiálů, mohli bychom se dostat k nové, rychlejší elektronice.

 

Video:  Realization of Majorana Fermions in a Condensed Matter System

Literatura
Princeton University 10. 3. 2016, Science 351: 1184-1187, Wikipedia (Weyl semimetal)