Po 85 metų paieškų atrastos dalelės žada proveržį elektronikoje

Šių dalelių atradimas dėl jų galimybės elgtis tuo pat metu kaip medžiagai ir antimedžiagai kristalo viduje gali nutiesti kelią į kur kas efektyvesnę ir greitesnę elektroniką, skelbia Phys.org.

Tyrėjai liepos mėnesio žurnale „Science“ aprašo pirmuosius Weylio fermionų stebėjimų rezultatus, kuriuos pritaikius naujos kartos elektronikoje, būtų galima pasiekti laisvą ir efektyvią elektros tėkmę ir didesnę galią, ypač kompiuteriuose.

Dar 1929 m. matematikui ir fizikui Hermannui Weyliui 1929 m. spėjus apie jų egzistavimą, Weylio fermionų ilgą laiką ieškojo mokslininkai, nes buvo manoma, kad jie yra kitų subatominių dalelių statybos blokai ir yra labiau baziniai nei visur esantys neigiamą krūvį turintys elektronai (kai jie juda kristale).

Jų bazinė prigimtis reiškia, kad Weylio fermionai gali lemti kur kas stabilesnį ir efektyvesnį dalelių transportavimą nei elektronai, kurie modernioje elektronikoje laikomi esminėmis dalelėmis. Skirtingai nei elektronai, Weylio fermionai neturi masės ir pasižymi itin dideliu mobilumu: dalelės sukinys yra į tą pačią kryptį, kaip ir judesys. „Weylio fermionų fizika yra tokia keista, iš šios dalelės atradimo gali kilti daugybė dalykų, kurių dabar negalime įsivaizduoti“, – kalbėjo tyrimo vadovas fizikas M. Zahidas Hasanas iš Prinstono universiteto.

Nuo kitų dalelių atradimų Weylio fermionai skiriasi tuo, kad šias daleles galima panaudoti ir praktiškai. Paprastai dalelės, tokios kaip Higgso bozonas, aptinkamos susidūrus kitoms dalelėms. O Weylio fermionai buvo atrasti sintetiniame metaliniame kristale, vadinamame tantalo arsenidu, kurį Prinstono universiteto mokslininkai sukūrė bendraudami su Kvantinės medžiagos inovacijų centru Pekine ir Nacionaliniu Taivano universitetu.

Weylio fermionai turi dvi savybes, dėl kurių dalelę galima būtų panaudoti ateities elektronikos įrenginiuose, įskaitant ir kvantinių kompiuterių kūrimą, aiškino M.Z. Hasanas. Fizikai į Weylio fermionus labiausiai dėmesį atkreipia dėl to, kad dalelės kristalo viduje elgiasi tarsi monopolį ir antimonopolį turinčios dalelės. Tai reiškia, kad fermionai, kurie turi priešingus krūvius, gali judėti nepriklausomai vienas nuo kito ir pasižymi itin dideliu mobilumu.

Tyrėjai taip pat nustatė, kad Weylio fermionai gali būti panaudoti masės neturinčių elektronų sukūrimui, kurie judėtų labai greitai ir neišsisklaidytų – kai susiduria su obstrukcija, jie yra prarandami. Elektronikoje išsisklaidymas slopina efektyvumą ir generuoja šilumą. O Weylio fermionai juda per ir aplink užtvaras, sako Hasanas.

„Jie turi lyg savo navigacijos sistemą, geba valdyti save ir neišsisklaido, – aiškino mokslininkas. – Jie juda tik viena kryptimi ir niekada nesustoja. Tai yra labai greiti elektronai, kurie elgiasi lyg krypties neturintis lazerio spindulys ir gali būti panaudoti kvantinėje kompiuterijoje.“

Dar prieš publikuodami tyrimą „Science“, mokslininkai birželį „Nature Communications“ išspausdino kitą tyrimą, kuriame aiškino, kad Weylio fermionai galėtų egzistuoti tantalo arsenido kristale. Remdamiesi ankstesniu tyrimu, mokslininkai ėmė simuliuoti aibę kristalų struktūrų, kol gavo asimetrišką tantalo arsenido kristalą, kuris turi skirtingos formos viršų ir apačią.

Tuomet kristalai buvo įdėti į dviejų aukštų prietaisą, žinomą kaip skenavimo tuneliavimo spektromikroskopas, kuris atšaldomas beveik iki absoliutaus nulio. Spektromikroskopas nustatė, ar kristalas atitiko teorinius Weylio fermionų skaičiavimus.

„Jis mums pasakė, kad kristalai buvo dalelių namai“, – aiškino M.Z. Hasanas.

Tuomet Prinstono universiteto mokslininkai nunešė kristalus į nacionalinę Berklio laboratoriją Kalifornijoje, kad juos patikrintų su didelės energijos greitintuvu paremtais fotoniniais spinduliais. Iššovus jį per kristalą, spindulio forma, dydis ir kryptis nurodė, kad ten yra ilgai ieškoti Weylio fermionai.

Weylis, kuris dirbo Pažangių studijų institute, fermionų egzistavimą numatė kaip alternatyvą Alberto Einšteino Reliatyvumo teorijai. Ir, nors jo spėjimai buvo ne visai tikslūs, šios teorinės dalelės savybės fizikus intrigavo beveik šimtmetį. Weylio fermionų paieškos buvo pradėtos dar ankstyvosiomis kvantinės teorijos dienomis, kai fizikai suprato, kad jų skaičiavimai leido daryti prielaidą, jog egzistuoja antimedžiagos dalelės mums jau žinomoms dalelėms, tokioms kaip elektronai.