V Princetonu chytili Weylovy fermiony. Kredit: Danielle Alio, Office of Communications / Princeton University.

Standardní model elementárních částic zahrnuje dva typy fermionů – kvarky a leptony, pro které je charakteristický poločíselný spin. Z pohledu matematiky mohou být fermiony trojího typu – Diracovy, tedy fermiony s hmotností, Majoranovy, čili fermiony, které jsou svojí vlastní antičásticí, a pak také Weylovy fermiony, které mají nulovou hmotnost. 

Zahid Hasan. Kredit: Danielle Alio, Office of Communications / Princeton University.

Weylovy fermiony předpověděl už v roce 1929 matematik a fyzik Hermann Weyl. Od té doby po nich vědci pátrali, až do teď neúspěšně. Považovali Weylovy fermiony za možné stavební kameny jiných subatomárních částic, základnější než elektrony, které jsou dnes klíčovou částicí elektroniky. Weylovy fermiony mají narozdíl od elektronů nulovou hmotnost a také jsou vysoce pohyblivé.

Byl to dlouhý lov, nakonec ale skončil úspěchem. Mezinárodní tým, který vedl Zahid Hasan z Princetonu, po 85 letech prohlásil, že je hotovo. Podle spokojeného Hasana jsou Weylovy fermiony dost podivné, a ještě navíc se od objevu těchto částic může odvíjet tolik věcí, že si to teď prý neumíme ani představit. Právě v tom se objev Weylových fermionů odlišuje od objevů přízračných částic na LHC a podobných strojích v oparu šílených srážek částic.

Weylův fermion v krystalu. Kredit: Su-Yang Xu & M. Zahid Hasan / Princeton Department of Physics

Weylovy fermiony byly objeveny uvnitř umělého kovového krystalu z arsenidu tantalu a jak se zdá, mohly by se stát požehnáním pro vývoj nové elektroniky, či spíše fermioniky, včetně kvantových počítačů.

Laboratoř objevitelů Weylových fermionů. Kredit: Danielle Alio, Office of Communications / Princeton University.

Pro fyziky je nanejvýš vzrušující, že když jsou Weylovy fermiony v krystalu, tak se chovají jako kdyby byly složené z monopólu a antimonopólu, což přispívá k jejich pohyblivosti. Také se ukázalo, že z Weylových fermionů lze vytvořit elektrony s nulovou hmotností, které jsou velmi pohyblivé a nezdržuje je přitom žádný zpětný rozptyl (backscattering). V dnešní elektronice přitom kvůli zpětnému rozptylu vzniká teplo a snižuje se její účinnost. 

Jak k objevu došlo? Hasan a spol. nejprve v Nature Communications publikovali teoretickou studii, která připouštěla existenci Weylových fermionů v krystalech arsenidu tantalu. Pak se do toho pořádně obuli, simulovali různé krystaly na počítači a pak vytvořili asymetrické krystaly arsenidu tantalu, které měly odlišný tvar ze svrchní a ze spodní strany. Tyto krystaly vložili do rastrovacího tunelového spektromikroskopu, kde byly zchlazeny na teplotu blízkou absolutní nule. Díky tomuto zařízení si ověřili, jestli jejich krystaly splňují podmínky pro tom aby mohly hostit předpovězené Weylovy fermiony.

Hermann Weyl. Kredit: ETH Zürich.

Když krystaly arsenidu tantalu prošly testy na rastrovacím tunelovém spektromikroskopu, tak je vzali do kalifornské Lawrence Berkeley National Laboratory, kde do nich pomocí místního urychlovače částic stříleli vysokoenergetické paprsky fotonů. Když paprsky prolétly skrz krystaly, tak jejich tvar, velikost a směr ukazovaly na přítomnost dlouho nepolapitelných Weylových fermionů. Odborníci jásají, že objev Weylových fermionů, který publikoval časopis Science, je výsledkem unikátním v těsném propojení důmyslné teorie a náruživého experimentování.

Bulk Topological Insulators and Superconductors:
Discovery and the Frontier.

Literatura
Princeton University 16. 7. 2015, Science online 16. 7. 2015, Wikipedia (Fermion).