Weyl-Fermionen im Paramagneten

Weyl-Fermionen könnten eine Rolle in einer energie­effizienteren Elektronik der Zukunft spielen. Experimentell wurden sie nur im Inneren von Materialien nachgewiesen. Dort liegen sie als Quasi­teilchen vor, die sich wie masselose Teilchen verhalten. Theoretisch wurden sie bereits 1929 vom Mathematiker Hermann Weyl vorhergesagt, ihre experimentelle Entdeckung folgte jedoch erst 2015. Bislang waren Weyl-Fermionen nur in bestimmten nicht­magnetischen Materialien beobachtet worden. Nun jedoch hat ein Forscherteam am Paul Scherrer Institut PSI zusammen mit Wissenschaftlern in den USA, China, Deutschland und Österreich sie auch in einem para­magnetischen Material gefunden. Damit ist man einer möglichen Nutzung von Weyl-Fermionen in der Computer­technologie einen Schritt näher gekommen.

„Der schwierige Teil war“, sagt Junzhang Ma, „ein erfolg­versprechendes magne­tisches Material für die Suche nach diesen Weyl-Fermionen zu finden.“ Obwohl durch die theoretische Physik die Existenz von Weyl-Fermionen in bestimmten magne­tischen Materialien schon vor Jahren als möglich angesehen wurde, fehlte bislang der experi­mentelle Nachweis trotz wesentlicher Anstrengungen mehrerer Forscher­gruppen weltweit. Ma und Kollegen hatten dann die Idee, ihre Aufmerk­samkeit auf eine bestimmte Gruppe von magnetischen Materialien zu richten: Paramagnete mit inne­wohnenden Fluktuationen des magnetischen Feldes, die vergleichs­weise langsam sind.

„In bestimmten para­magnetischen Materialien könnten diese intrinsischen magne­tischen Fluk­tuationen ausreichen, um ein zusammen­gehörendes Paar von Weyl-Fermionen zu erzeugen“, sagt Ming Shi. „Aber uns war bewusst, dass diese Fluktuationen langsam genug sein müssen, damit die Weyl-Fermionen entstehen können. Von da an lag die Herausforderung darin, herauszufinden, welches Material genügend langsame, magnetische Fluktuationen haben könnte.“ Da es kein Nachschlage­werk mit den Geschwindigkeiten der magnetischen Fluktuationen aller Materialien gibt, kostete es die Forscher einige Zeit und Mühe, ein geeignetes Material für ihr Experiment zu finden. Eine Modell­analyse von Seiten der theoretischen Physik half ihnen, einen viel­versprechenden Kandidaten mit langsamen magnetischen Fluk­tuationen auszumachen: Europium-Cadmium-Arsenid. Und tatsächlich: In diesem paramagne­tischen Material konnten die Wissenschaftler Weyl-Fermionen experimentell nachweisen.

Für ihre Experimente nutzten die Forscher zwei der Großforschungs­anlagen des PSI: Zunächst halfen ihnen Messungen an der Myonen­quelle SμS, die magnetischen Fluktuations­eigenschaften ihres Materials besser zu verstehen. An­schließend wiesen sie die Weyl-Fermionen mit einem Röntgen­spektroskopie­verfahren an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS nach. „Wir haben gezeigt, dass Weyl-Fermionen in einer größeren Bandbreite von Materialien existieren können als bisher angenommen“, sagt Junzhang Ma. Damit erweitert dieses Forschungs­ergebnis deutlich die Bandbreite der Materialien, die für die Elektronik der Zukunft in Frage kommen. In Spintronik-Modulen könnten Weyl-Fermionen verwendet werden, um Informationen mit viel höherer Effizienz zu trans­portieren, als Elektronen in der heutigen Technologie dies tun.

PSI / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J.-Z. Ma et al.: Spin fluctuation induced Weyl semimetal state in the paramagnetic phase of EuCd₂As_2, Sci. Adv. 5, eaaw4718 (2019); DOI: 10.1126/sciadv.aaw4718
• Spektroskopie neuartiger Materialien, Paul Scherrer Institut PSI, Villigen, Schweiz