Weyl-Fermion
Englisch: Weyl fermion
Ein masseloses Quasiteilchen und Fermion mit elektrischer Ladung, das sich nicht rückwärts bewegen kann und in Weyl-Halbmetallen existieren kann, wo sich ein Elektron in zwei Weyl-Fermionen aufteilen kann, die sich in entgegengesetzten Richtungen bewegen und durch Kombination zweier Weyl-Fermionen wieder ein Elektron bilden können.
Weyl-Fermion: ein Quasiteilchen mit Vorzugsrichtung in exotischen Metallen
Ein Weyl-Fermion ist ein Quasiteilchen, das in bestimmten kristallinen Materialien auftritt, die Weyl-Halbmetalle genannt werden, wo die normalen Regeln der Elektronenbewegung nicht gelten. Anders als gewöhnliche Elektronen, die sich in jede Richtung durch ein Kristallgitter bewegen können, bewegt sich ein Weyl-Fermion nur in eine Richtung, bestimmt durch seine Spinorientierung. Diese Richtungsbeschränkung macht es praktisch nutzbar: in einem Weyl-Halbmetall kann sich ein einzelnes Elektron in zwei Weyl-Fermionen aufteilen, die entgegengesetzt wandern, und zwei Weyl-Fermionen können sich zu einem Elektron recombinieren.
Die Schlüsseleigenschaft ist, dass Weyl-Fermionen masselos sind, das heißt, sie haben innerhalb des Kristalls eine null oder vernachlässigbar kleine effektive Masse. Dies ermöglicht ihnen, sich mit extrem hohen Geschwindigkeiten zu bewegen, nahe bei der Fermi-Geschwindigkeit des Materials, die in der Größenordnung von 106 Metern pro Sekunde liegen kann. Weil sie elektrische Ladung tragen und sich mit außergewöhnlicher Beweglichkeit fortbewegen, leiten sie Strom und reagieren auf Magnetfelder auf Weise, die gewöhnliche Elektronen nicht können. Die Einfachrichtungsnatur bedeutet, dass jede Weyl-Fermion-Chiralität (linkshändige oder rechtshändige Spinausrichtung) Bewegung nur entlang einer bestimmten Achse erlaubt.
In praktischen Materialien sind Weyl-Halbmetalle typischerweise Übergangsmetal-Verbindungen oder Materialien mit starker Spin-Bahn-Kopplung und gebrochener Zeitumkehr- oder Inversionssymmetrie. Wolframditellurid und Tantalarsенид gehören zu den ersten Materialien, in denen Weyl-Fermionen experimentell beobachtet wurden. Die elektronische Struktur dieser Materialien enthält Kreuzungspunkte im Banddiagramm (sogenannte Weyl-Punkte), wo die Energiebänder sich an einem einzelnen Punkt im Impulsraum berühren und so die Bedingungen für Weyl-Fermion-Verhalten schaffen.
Industrielle Relevanz und Messung
Weyl-Fermionen sind relevant für aufstrebende Gerätekonzepte in Elektronik und Sensorik. Ihre hohe Beweglichkeit und gerichtete Transporteigenschaften könnten Leiter mit extrem niedrigen Verlusten oder neue Arten von Magnetfeldsensoren ermöglichen, die den anomalen Hall-Effekt nutzen. Die Detektion erfordert typischerweise winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES), um die Bandstruktur direkt abzubilden, oder Magnetotransport-Messungen, die Anomalien enthüllen, die für Weyl-Fermion-Populationen charakteristisch sind.
Das Phänomen ist nach Hermann Weyl benannt, der 1929 masselose Lösungen der Dirac-Gleichung beschrieb. In der Festkörperphysik bezieht sich der Begriff speziell auf die Quasiteilchen-Anregungen, die dieser Weyl-Gleichung innerhalb des Kristalls gehorchen. Dies unterscheidet sich von Dirac-Fermionen, die beide Chiralitäten haben und sich in alle Richtungen bewegen können. Das Verständnis von Weyl-Fermionen befindet sich noch überwiegend in der Forschungsphase, wobei kommerzielle Anwendungen noch in Feldern wie Topologische Elektronik und Quantensensorik erforscht werden.