异国情调的金属显示行为，可能会导致新的红外探测器
中红外波长的光是肉眼看不见的，但可以用于许多技术，包括夜视，热传感和环境监测。现在，麻省理工学院和其他地方的物理学家发现了一种非传统金属的新现象，可以为这些难以捉摸的波长制造高度灵敏的探测器。这种现象与高能物理学家预测但从未观测到的粒子密切相关。物理学家小组的所有基本粒子的性质分为两类，费米子和玻色子，根据一种称为自旋的性质。反过来，费米子，有三种类型：狄拉克，Majorana，和Weyl。狄拉克费米子包括普通金属如铜或金电子。另外两个是非传统粒子，可以产生奇怪的和根本的新物理，这可能被用来建立更有效的电路和其他设备。Weyl费米子是第一个理论几乎一个世纪前，德国物理学家Hermann Weyl。虽然它的存在是假定作为方程的形成被广泛接受的标准模型的亚原子物理学的一部分，Weyl fermions从未被观察到的实验。该理论预测，它们应该以光的速度移动，同时，在运动方向上旋转。它们有两个品种，取决于它们的运动方向是否是顺时针或逆时针旋转。这个属性被称为霸道，或手性，Weyl费米子。 ； ；尽管Weyl费米子从未被直接观察到的，研究人员最近观察到一个现象，模仿他们的理论性能的重要方面，一类非常规的金属称为Weyl半金属。剩下的一个挑战是通过实验测量这些Weyl费米子的手性，而回避检测最标准的实验技术。在发表在自然杂志的一篇文章中，麻省理工的团队能够利用圆偏振光测量Weyl费米子手性。这项工作是由麻省理工学院的博士后琼马和苏洋旭；物理学教授Nuh Gedik，Pablo Jarillo Herrero，和Patrick Lee；和其他八个麻省理工学院的研究人员和其他大学在美国，中国，新加坡。具体来说，研究人员发现一个金属钽的砷化物，或TAA，”呈现出一个有趣的光电特性称为圆形的光电效应，”Gedik说，在物理系副教授。传统上，导电需要在金属两端（如铜）两端施加外部电压。相比之下，在这项工作中，研究人员发现，在中红外波长范围内闪亮的圆偏振光，不施加外部电压的TAAS能产生电流。此外，电流的方向是由Weyl费米子手性可以由光的偏振从左手到右手换开关。以这种方式产生的电流的量竟然是惊人的大- 10至100倍强于其他材料用于检测这种光的响应。这可以使材料在光谱的中红外部分对极为敏感的光探测器有用。“尽管是很久以前的预言，Weyl费米子从未观察到粒子物理中的基本粒子，”Gedik解释说。但新的实验，他说，已经表明，在这些非传统的金属、普通电子”可以表现在一种奇怪的方式使他们的动作模仿的Weyl费米子的行为，并能表现出一系列的新特性。多年来由于Weyl原假设，“怀疑中微子Weyl费米子的人很多，”徐说。中微子的亚原子粒子碰撞在宇宙中以接近光速的速度，长期以来被认为没有质量，就像假定Weyl费米子。但是，当它被发现，neurinos实际上有一个微小但可测量的质量，这种可能性被排除了，和实际的Weyl费米子还从来没有被观察到的。“但这样的行为电子在半金属如TAAS密切模仿所预测的Weyl费米子支持Weyl的理论，”马说。电子能像Weyl费米子的那些金属，”马说。“他们总是在那总是有相反的手性双来。”而其他人已经观察到了一些电子的不寻常的行为在这些材料中，没有人曾经能够探测的Weyl费米子的关键因素，即他们的左手或右手旋转。但在这项研究中，“我们找到了一种测量手性的方法，”徐说，通过使用圆偏振光触发电流，并显示相反的光偏振导致电流朝相反方向移动。通过测量电流使用附加到不同的光的偏振材料电极，他们能够推断Weyl费米子负责当前手性。“这项工作的意义在于，这是Weyl费米子手性的首次直接观察，”Anton Burkov说，加拿大滑铁卢大学的物理学和天文学副教授，他没有参与这项工作。“Weyl费米子手性电荷也有其他的直接后果，如费米弧边缘的状态，但一想在电磁响应的直接测量这个属性。本工作报告的第一个这样的测量。”研究团队还包括前博士后Ching Kit Chan（现在的助理教授在加州大学洛杉矶分校）；研究生林雨宣；副教授Tomas Palacios、威廉和艾玛帕特里克李罗杰斯教授在麻省理工学院；陈龙张和助理教授双佳在北京大学在中国；郭青昌和助理教授Hsin Lin在新加坡国立大学和路易斯安那州立大学的助理教授魏伟勰。这项工作得到了美国能源部，戈登和贝蒂穆尔基金会和国家科学基金会的支持。