Kopalnia Wiedzy (.pl) donosi o odkryciu fermionów Weyla. Po 86 latach od ich teoretycznego opisania lub przewidzenia – bo Hermann Weyl ich teorię stworzył w 1929 roku.

Fermionów są (raczej: mogą być, z punktu widzenia teorii) trzy rodzaje: fermiony Diraca (które mają masę i mają swoje antycząstki różne od siebie), fermiony Majorany (które są równe swoim antycząstkom) i fermiony Weyla (które nie mają masy, a ich antycząstki różnią się przeciwnie skierowanym spinem). [Więcej o tym jest przystępnie wyłożone tu: „What is a Weyl fermion?”]

Weyl przypuszczał, że elektron (który jest fermionem Diraca) składa się z dwóch fermionów Weyla i może na nie zostać rozłożony.

Jako nie posiadające masy (spoczynkowej), fermiony Weyla poruszają się z prędkością światła. Co jest o tyle dziwne, że będąc naładowane elektrycznie, przenoszą elektryczny ładunek, tworząc prąd biegnący z prędkością światła.

Do tej pory – aż do okrycia, o którym mowa, z 2015 roku – żadna z odkrytych cząstek nie okazała się być fermionem Weyla. Chociaż o bycie nimi podejrzewane były neutrina. Które jednak w końcu, jak się okazało, masę mają, więc fermionami Weyla nie są.

Odkrycie jest obszerniej opisane tu: „After 85-year search, massless particle with promise for next-generation electronics found”. Dokonał go zespół z Princeton University, którego szefem jest prof. Zahid Hasan. Odkrycie to od razu skojarzono z możliwym „milowym” postępem w elektronice, gdyż daje nadzieję na zbudowanie urządzeń, w których nośniki prądu poruszałyby się z prędkością światła.

Czym są te cząsteczki? Nigdzie w tekstach, które przeczytałem nie powiedziano tego czarno na białym, więc jako fizyk (dawno nim będący, ale...) poczuwam się do objaśnienia. Nie są to cząstki istniejące samodzielnie, w pustej przestrzeni czyli niejako bezwzględnie, tak jak elektrony, neutrina, protony czy neutrony. (Wszystkie wymienione są fermionami Diraca.) Są to kwazicząstki, czyli, właściwie, wzbudzenia kryształu, które zachowują się jak cząstki – a raczej jak kwantowe cząstki-fale – żyjące w sieci krystalicznej kryształu. Poza macierzystym kryształem ich nie ma. Kryształ jest ich koniecznym środowiskiem, w którym mogą istnieć. Znanymi kwazicząstkami są dziury, czyli dodatnie nośniki prądu w kryształach-półprzewodnikach. Innymi: fonony czyli kwanty dźwięku. Jest ich zresztą, różnych rodzajów, mnóstwo. Ale chociaż z pewnego punktu widzenia, nie mają „ciała”, to kwazicząstki są obserwowane jako całkiem realne byty. Skoro to coś, co znalazł Zahid Hasan z zespołem, ma atrybuty fermionu Weyla, to znaczy, że przenosi ładunek z prędkością światła. A raczej, że pewien kryształ potrafi „tak zrobić”, żeby wewnątrz siebie przenosić ładunek z prędkością światła, skutecznie symulując w swoim wnętrzu istnienie fermionów Weyla.

W doświadczeniu użyto, w temperaturze bliskiej absolutnemu zeru, kryształów arsenku tantalu. Nic bliższego nie znalazłem o tym materiale: jakiś syntetyk, skonstruowany na potrzeby tego właśnie doświadczenia.

Dlaczego – odpowiem w końcu – moja uwaga zawiesiła się na tym, dość abstrakcyjnym przecież, temacie? – Właśnie z powodu tych kryształów. Odkrycie to, niezależnie od jego możliwych zastosowań w elektronice, pokazuje, jaka siła możliwości kryje się w kryształach, w krystalicznych sieciach. Że jest tam wielka przestrzeń możliwości, którą naukowcy wciąż penetrują i która może dostarczyć w przyszłości trudnych dziś do wyobrażenia wynalazków. Ostatecznie dzisiejszą elektronikę zbudowano na kryształach tak prostej substancji jak SiO2, tlenek krzemu czyli kwarc (kryształ górski), z domieszkami glinu, fosforu czy czegoś jeszcze.

A teraz okazuje się, że pewien kryształ symuluje (emuluje) przestrzeń o innych właściwościach z punktu widzenia mechaniki kwantowej – bo przecież w naszej „zwykłej” (czyli pustej) przestrzeni fermiony Weyla nie chcą się stwarzać.

Mam nastawioną antenę na takie i podobne wiadomości, ponieważ krystaliczna materia kryje pewną zagadkę, pewną możliwość. Czy w kryształach (jakiegoś rodzaju) istnieją struktury, np. właśnie w typie kwazicząstek, w których mieszają się (kwantowo) ich elektrony i jadra, albo elektrony i składniki ich jąder? A zatem zanika bariera energii (skali energii), która w znanym nam świecie ostro rozdziela zjawiska chemiczne („elektronowe”) od jądrowych? Gdyby tak było, możliwe byłyby reakcje jądrowe, do zapoczątkowania których wystarczałaby manipulacja chemiczna lub elektrochemiczna. Czyli możliwe byłyby LENR, Low Energy Nuclear Reactions, niskoenergetyczne reakcje jądrowe, pospolicie zwane zimną fuzją. Z ich potencjałem nieograniczonego źródła taniej i (zapewne) bezpiecznej energii, której tak jesteśmy nieustannie wygłodniali. (Sprawdź ceny paliwa w Orlenie.) Zauważyć warto, że reakcje jądrowe odbywają się z udziałem „tradycyjnych” fermionów Diraca – protonów, neutronów, elektronów i neutrin. Może fermiony Weyla coś tu pomogą?