fermión de Weyl

Un fermión de Weyl es una cuasipartícula que emerge en ciertos materiales cristalinos llamados semimetales de Weyl, donde las reglas normales del movimiento de los electrones se rompen. A diferencia de los electrones ordinarios, que pueden moverse en cualquier dirección a través de una red cristalina, un fermión de Weyl se mueve en una sola dirección, determinada por la orientación de su espín. Esta restricción direccional es lo que lo hace realmente útil: en un semimetal de Weyl, un solo electrón puede dividirse en dos fermiones de Weyl que viajan en direcciones opuestas, y dos fermiones de Weyl pueden recombinarse en un solo electrón.

La propiedad clave es que los fermiones de Weyl no tienen masa, lo que significa que tienen una masa efectiva cero o insignificante dentro del cristal. Esto les permite moverse a velocidades extremadamente altas, cercanas a la velocidad de Fermi del material, que puede ser del orden de 106 metros por segundo. Debido a que transportan carga eléctrica y se mueven con una movilidad excepcional, conducen la electricidad y responden a los campos magnéticos de maneras que los electrones ordinarios no pueden. La naturaleza unidireccional significa que cada quiralidad de fermión de Weyl (alineación de espín zurda o diestra) permite el movimiento solo a lo largo de un eje específico.

En materiales prácticos, los semimetales de Weyl son típicamente compuestos de metales de transición o materiales con un fuerte acoplamiento espín-órbita y simetría de inversión o de inversión temporal rota. El ditelururo de tungsteno y el arseniuro de tantalio se encuentran entre los primeros materiales donde se observaron experimentalmente los fermiones de Weyl. La estructura electrónica de estos materiales contiene puntos de cruce en el diagrama de bandas (llamados puntos de Weyl) donde las bandas de energía se tocan en un solo punto en el espacio de momentos, creando las condiciones para el comportamiento de los fermiones de Weyl.

Relevancia industrial y medición

Los fermiones de Weyl son relevantes para los conceptos de dispositivos emergentes en electrónica y detección. Su alta movilidad y transporte direccional podrían permitir conductores de ultra baja pérdida o nuevos tipos de sensores magnéticos que explotan el efecto Hall anómalo. La detección generalmente requiere espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) para mapear directamente la estructura de bandas, o mediciones de magnetotransporte que revelan anomalías características de las poblaciones de fermiones de Weyl.

El fenómeno lleva el nombre de Hermann Weyl, quien describió soluciones sin masa a la ecuación de Dirac en 1929. En la física de la materia condensada, el término se refiere específicamente a las excitaciones de cuasipartículas que obedecen esta ecuación de Weyl dentro del cristal. Esto es distinto de los fermiones de Dirac, que tienen quiralidades tanto zurdas como diestras y pueden moverse en todas las direcciones. La comprensión de los fermiones de Weyl permanece en gran medida en la fase de investigación, y las aplicaciones comerciales aún se están explorando en campos como la electrónica topológica y la detección cuántica.