fermion de Weyl

Un fermion de Weyl est une quasiparticule qui émerge dans certains matériaux cristallins appelés semi-métaux de Weyl, où les règles normales du mouvement des électrons sont brisées. Contrairement aux électrons ordinaires, qui peuvent se déplacer dans n'importe quelle direction à travers un réseau cristallin, un fermion de Weyl ne se déplace que dans une seule direction, déterminée par l'orientation de son spin. Cette contrainte directionnelle est ce qui le rend vraiment utile : dans un semi-métal de Weyl, un seul électron peut se diviser en deux fermions de Weyl voyageant dans des directions opposées, et deux fermions de Weyl peuvent se recombiner en un seul électron.

La propriété clé est que les fermions de Weyl sont sans masse, ce qui signifie qu'ils ont une masse effective nulle ou négligeable au sein du cristal. Cela leur permet de se déplacer à des vitesses extrêmement élevées, proches de la vitesse de Fermi du matériau, qui peut être de l'ordre de 106 mètres par seconde. Parce qu'ils transportent une charge électrique et se déplacent avec une mobilité exceptionnelle, ils conduisent l'électricité et répondent aux champs magnétiques d'une manière que les électrons ordinaires ne peuvent pas. La nature unidirectionnelle signifie que chaque chiralité de fermion de Weyl (alignement de spin gauche ou droit) ne permet un mouvement que le long d'un axe spécifique.

Dans les matériaux pratiques, les semi-métaux de Weyl sont généralement des composés de métaux de transition ou des matériaux avec un fort couplage spin-orbite et une symétrie de renversement du temps ou d'inversion brisée. Le ditellurure de tungstène et l'arséniure de tantale figurent parmi les premiers matériaux où les fermions de Weyl ont été observés expérimentalement. La structure électronique de ces matériaux contient des points de croisement dans le diagramme de bandes (appelés points de Weyl) où les bandes d'énergie se touchent en un seul point dans l'espace des impulsions, créant les conditions pour le comportement des fermions de Weyl.

Pertinence industrielle et mesure

Les fermions de Weyl sont pertinents pour les concepts de dispositifs émergents en électronique et en détection. Leur haute mobilité et leur transport directionnel pourraient permettre des conducteurs à très faible perte ou de nouveaux types de capteurs magnétiques qui exploitent l'effet Hall anormal. La détection nécessite généralement une spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) pour cartographier directement la structure de bandes, ou des mesures de magnéto-transport qui révèlent des anomalies caractéristiques des populations de fermions de Weyl.

Le phénomène porte le nom d'Hermann Weyl, qui a décrit les solutions sans masse de l'équation de Dirac en 1929. En physique de la matière condensée, le terme fait spécifiquement référence aux excitations de quasiparticules qui obéissent à cette équation de Weyl au sein du cristal. Ceci est distinct des fermions de Dirac, qui ont à la fois des chiralités gauche et droite et peuvent se déplacer dans toutes les directions. La compréhension des fermions de Weyl en est encore largement au stade de la recherche, les applications commerciales étant toujours explorées dans des domaines tels que l'électronique topologique et la détection quantique.