Фермионы Вейля возникли при описании релятивистских частиц, но, как сообщается, Вейль разлюбил это свое творение, не в последнюю очередь потому, что такие безмассовые фермионы никогда не наблюдались в качестве элементарных частиц в природе. Однако в настоящее время мы знаем, что фермионы Вейля возникают как коллективные возбуждения, так называемые квазичастицы, в системах многих тел. Впервые это было экспериментально реализовано в 2015 году в кристаллическом материале, где фермионы Вейля появляются как определенные точки в электронной зонной структуре. Было также показано, что такие «точки Вейля» существуют в искусственно созданных периодических структурах, взаимодействующих с классическими волнами, в частности с электромагнитными волнами (в фотонных кристаллах) и с акустическими волнами (в фононных кристаллах).
Пери и его сотрудники приняли последнюю платформу, состоящую в их случае из 4800 тщательно разработанных, напечатанных на 3D-принтере единичных ячеек, расположенных в трехмерной структуре (на фото выше), в которой они взаимодействуют с воздушными звуковыми волнами.
То, что такие “ акустические метаматериалы ” являются подходящими платформами для изучения физики Вейля, было установлено и раньше, но исследователи ETH добавили в историю важный поворот. Они разработали фоновое поле, которое взаимодействует с фермионами Вейля аналогично тому, как магнитное поле взаимодействует с электронными возбуждениями в кристалле. Поскольку звуковые волны не несут заряда и, следовательно, инертны по отношению к магнитным полям, Peri et al. пришлось вернуться к другим средствам манипулирования квазичастицами в их системе.
Они сделали это, слегка изменив геометрию элементарных ячеек, так что пространственное положение, в котором появляются точки Вейля (в импульсном пространстве), варьировалось по всей выборке. Эта модификация заставляет их акустическую систему вести себя как электронная система, погруженная в магнитное поле – с важным отличием.
Они разработали фоновое поле таким образом, что оно по-разному сочетается с двумя типами, в которые входят фермионы Вейля: те, у которых свой собственный угловой момент (или спин) выровнены параллельно их линейному импульсу, и те, у которых выстраивание антипараллельно. Другими словами, поле по-разному взаимодействует с частицами в зависимости от их киральности.
Реализация фонового поля, которое отличает киральность, является важным шагом, поскольку он затрагивает суть того, почему фермионы Вейля так интересны в своем первоначальном контексте, то есть в физике элементарных частиц. Когда фермионами различной киральности можно манипулировать независимо друг от друга, тогда классические законы сохранения могут быть нарушены на квантовом уровне, например, заряд для фермионов данной киральности не сохраняется.
Такое поведение приводит к так называемой «киральной аномалии», которая, в свою очередь, может быть ключом к пониманию основных особенностей Стандартной модели физики элементарных частиц.
Пери и его коллеги продемонстрировали существование отдельных «хиральных каналов», что дает им независимый доступ к фермионам Вейля противоположной хиральности в объемной системе. (Ранее сообщалось о связанных результатах для электронных систем в двух измерениях.Осознание такого поведения, глубоко укоренившегося в теории физики высоких энергий со звуковыми волнами низкой энергии, взаимодействующими с системой конденсированного состояния, обещает универсальную платформу для дальнейшего исследования явлений, связанных с фермионами Вейля, которые были теоретически предсказаны, и дальнейшего развития. шаги к использованию такого поведения в технологических областях, от акустики до электроники, не упуская из виду лежащую в основе “ красоту ”, которой руководствовался Герман Вейль.