Weyl-Fermion mehrfach nachgewiesen

Es hat 86 Jahre gedauert, bis das 1929 vom Mathematiker Hermann Weyl vorhergesagte masselose Teilchen kürzlich durch Forscher in Princeton entdeckt wurde. Sie fanden es als elektronische Anregung des Halbmetalls Tantalarsenid (TaAs). Und nun häufen sich die Nachweise des Weyl-Fermions. Zwei Forschergruppen in Oxford und Peking haben in den Anregungen von TaAs ebenfalls eindeutige Hinweise auf das exotische Teilchen gefunden. Und die Entdecker in Princeton konnten das Weyl-Fermion jetzt auch im Halbmetall Niobarsenid (NbAs) nachweisen.

Schematische Darstellung der Weyl-Fermionen als Zylinder mit roten Kugeln, auf die Pfeile zeigen beziehungsweise von denen abgehen.
Weitere Weyl-Fermionen entdeckt

Das Weyl-Fermion ist wie das Elektron ein Spin-1/2-Teilchen. Da es aber masselos ist, kann sein Spin im Gegensatz zum Elektronenspin nicht in beliebige Richtungen zeigen, sondern er liegt entweder parallel oder antiparallel zur Bewegungsrichtung des Teilchens. Man spricht dann von rechts- oder linkhändigen Weyl-Fermionen. Die entsprechenden elektronischen Anregungen im Tantalarsenid treten ebenfalls in einer rechts- und einer linkshändigen Form auf. Ihre Energiebänder bilden im Impulsraum einen Doppelkegel mit einem „Weyl-Punkt“ im Zentrum. Solche doppelkegelförmigen Energiebänder haben nun alle drei Forschergruppen an TaAs-Kristallen beobachten können, und die Princeton-Forscher haben sie auch bei einem NbAs-Kristall gefunden.

Ein Weyl-Punkt gehört zu einem rechts- oder linkshändigen Weyl-Fermion, wodurch er „topologisch“ stabilisiert wird. Bei einer Störung des Kristalls löst sich der Doppelkegel nicht in zwei getrennte Flächen auf, sondern er bleibt erhalten und verschiebt sich nur ein wenig im Impulsraum. In gewisser Weise verhält sich ein Weyl-Punkt wie ein magnetischer Monopol. In einem Kristall können solche Monopole immer nur paarweise auftreten, wobei ein Dirac-String die gepaarten Monopole miteinander verbindet.

Sowohl die Weyl-Punkte als auch die Strings, die zu den elektronischen Anregungen im Innern des Kristalls gehören, machen sich bei den Anregungen in der Kristalloberfläche bemerkbar. Dort erscheinen sogenannte Fermi-Bögen, als Projektionen der Strings, deren Endpunkte die Projektionen der Weyl-Punkte sind. Diese charakteristischen Fermi-Bögen konnten sowohl für die drei TaAs-Kristalle als auch für den NbAs-Kristall nachgewiesen werden.

Offenbar kommen die exotischen Weyl-Fermionen häufiger vor, als man geglaubt hatte. Inzwischen arbeiten Theoretiker daran, Weyls Theorie, die ursprünglich für relativistische Teilchen und nicht für Anregungen in Kristallen gedacht war, zu verallgemeinern.