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Weyl-Fermionen im Spotlight

Forscher aus der Theorieabteilung des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg und der North Carolina State University in den U.S. haben gezeigt, dass der lang gesuchte semi-metallische, magnetische Weyl-Zustand mit ultraschnellen Laserpulsen in magnetischen Materialien, den sogenannten Pyrochlor-Iridaten, erzeugt werden kann. Ihre bei Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse könnten der Entwicklung von magneto-optischen topologischen Hochgeschwindigkeits-Schaltern für zukünftige elektronische Anwendungen den Weg bahnen.

Alle bislang bekannten elementaren Teilchen fallen in zwei Kategorien: Bosonen und Fermionen. Bosonen vermitteln Kräfte wie Magnetismus oder die Schwerkraft, während aus Fermionen, wie zum Beispiel Elektronen, die Materie aufgebaut ist. Auf theoretischer Basis wird vorhergesagt, dass drei Arten von Fermionen existieren können, die nach den Physikern Dirac, Weyl und Majorana benannt sind.
Im freien Raum sind Elektronen Dirac-Fermionen, aber in Festkörpern können sie ihre Eigenschaften verändern. Im atomar dünnen Kohlenstoffmaterial Graphen werden sie zu masselosen Dirac-Fermionen. In anderen kürzlich entdeckten und produzierten Materialien können sie auch zu Weyl- und Majorana-Fermionen werden, weswegen diese Stoffe für zukünftige Technologien wie topologische Quantencomputer und andere innovative elektronische Geräte von Interesse sind.
In Kombination mit einer Welle von Bosonen, nämlich den Photonen in einem Laser, können Fermionen von einer Sorte in eine andere verwandelt werden, wie von MPSD-Theoretikern schon 2016 vorhergesagt wurde (siehe Ref. 1) unten).
Nun belegt eine neue Studie von Doktorand Gabriel Topp aus Michael Sentefs Emmy-Noether-Gruppe, dass Elektronenspins mit kurzen Lichtpulsen gezielt manipuliert werden können, wodurch magnetische Weyl-Fermionen in einem Isolator erzeugt werden. Basierend auf einer vorigen Studie von Nicolas Tancogne-Déjean und dem Direktor der Theorieabteilung, Angel Rubio (siehe Ref. 2) unten), nutzten die Forscher die Idee der durch Laser veränderten Elektron-Elektron-Abstoßung, um den Magnetismus in Pyrochlor-Iridaten zu unterdrücken, in denen Elektronspins auf einem Tetraedergitter positioniert sind.

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