Weyl-Fermionen aufgespürt

Der Mathematiker Hermann Weyl hatte 1929 in einer Gravitationstheorie des Elektrons ein neuartiges Teilchen postuliert. Es sollte denselben Spin oder Eigendrehimpuls wie das Elektron besitzen und somit ein Fermiteilchen sein, jedoch keine Ruhemasse besitzen und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Anders als der Elektronenspin kann der Spin dieses Teilchens nur in oder gegen die Flugrichtung zeigen. Man spricht dann von einem rechts- beziehungsweise linkshändigen „Weyl-Fermion“.

Links mikroskopische Abbildung einer verschwommenen Struktur mit ovalen Linien, rechts davon eine Grafik mit vier Sanduhren-förmigen Objekten, die durch Pfeile verbunden sind, darüber sind zwei Fermionen eingezeichnet.
Fingerabdruck des Weyl-Fermions

Zwar spielen Weyl-Fermionen eine wichtige Rolle im Standardmodell der Teilchenphysik, als Elementarteilchen hat man sie bisher jedoch nicht nachweisen können. Jetzt haben Forscher um Zahid Hasan von der Princeton University in einem salzkorngroßen Kristall des Halbmetalls Tantalarsenid elektronische Anregungen oder Quasiteilchen nachgewiesen, auf die die Beschreibung der Weyl-Fermionen zutrifft.

Die neu entdeckten Quasiteilchen bewegen sich zwar nicht mit Lichtgeschwindigkeit durch den Kristall aber immerhin ungewöhnlich schnell. Sie sind wie das ursprüngliche Weyl-Fermion masselos und kommen in einer rechts- und einer linkshändigen Variante vor, besitzen also Chiralität. Da ihr Spin starr an die Bewegungsrichtung gebunden ist, lassen sie sich von Störstellen im Kristall nicht aus der Bahn werfen. Sie haben deshalb eine große Beweglichkeit, die sie für Anwendungen in der Hochgeschwindigkeitselektronik prädestiniert. Ihre Chiralität könnte man für die Spintronik und das Quantencomputing nutzen.

Direkt beobachtet haben die Forscher ein Weyl-Fermion im Kristall noch nicht. Aber sie haben eindeutige Indizien gefunden, die mit der Theorie perfekt übereinstimmen. So liegen die elektronischen Anregungen im Innern des Kristalls auf Energiebändern, die an 24 Stellen die Form eines Doppelkegels mit einem „Weyl-Punkt“ im Zentrum haben, wie man es für Weyl-Fermionen erwartet. Diese Doppelkegel haben ebenfalls eine Chiralität, die sie „topologisch“ stabilisiert, sodass sie bei einer kleinen Störung des Kristalls erhalten bleiben.

Außerdem besitzt der Kristall an seiner Oberfläche bewegliche elektronische Anregungen, sodass er auch dort den elektrischen Strom gut leitet. Diese Anregungen, die sich in charakteristischen „Fermi-Bögen“ anordnen, haben große Ähnlichkeit mit den Anregungen an der Oberfläche von topologischen Isolatoren, die gegenwärtig intensiv erforscht werden. Das macht Weyl-Fermionen nicht nur für die Theorie sondern auch für praktische Anwendungen interessant.