Natuurkundigen gingen deze week uit hun dak toen wetenschappers bij CERN aankondigden dat ze voor het eerst het duivelse, moeilijk te vinden pentaquark-deeltje hadden gevonden. Het deeltje werd lang geleden voorspeld als combinatie van vier quarks en een antiquark. Dat was echter niet de enige onthulling van de week. Afgelopen donderdag publiceerden twee teams van wetenschappers, de een op MIT en de ander op Princeton, onafhankelijk van elkaar papers in Science waarin ze de eerste directe observaties (nogmaals, onafhankelijk) deden van een ander lang geleden voorspeld deeltje: het Weyl-punt.
Advertentie
Wat is een Weyl-punt? Het is nog iets lastiger voor te stellen dan een pentaquark. Het is een soort electron zonder massa. Toen de deeltjes voor het eerst verschenen als oplossing van de Dirac vergelijking – die een link legt tussen de bizarre quantumwereld en de meer conventionele wereld gebouwd uit ruimte en tijd – dachten fysici dat deze misschien wel beter bouwstenen voor subatomische deeltjes zouden zijn dan elektronen. Ze zijn nog primitiever dan laatstgenoemde. Omdat een Weyl punt massaloos is en zowel een rechts- als linksdraaiende spin (een soort magnetisch veld) heeft, is het een erg mobiel deeltje.Een van de voordelen hiervan is dat een Weyl-punt dat wordt gevangen in een kristal zich als een magnetische monopool kan gedragen: een theoretisch systeem waarin een magneet alleen een noord of zuidpool kan hebben. Dat is nogal uniek. Als je normaal gesproken een magneet door midden snijdt ontstaan er gewoon twee nieuwe magneten met noord- en zuidpolarisaties. Het resultaat is een bepaald soort gedrag waardoor het lijkt alsof het deeltje bestaat uit een mix van die componenten.Het in kristal gevangen Weyl-fermion (de groep waarbinnen ook elektronen vallen) is daarom in staat om samen te leven met monopolen van dezelfde lading. Dat is een andere manier waarop je de mobiliteit van het Weyl deeltje uit kan leggen.Het resultaat is een kristal (een gyroïde, die je hierboven ziet) dat zich gedraagt als driedimensionaal grafeen. Dat brengt een hele rits aan erg nuttige en wenselijke eigenschappen met zich mee. Net als grafeen biedt het de mogelijkheid van bijna perfecte elektrische geleiding. De onderzoekers bij Princeton stellen zich de Weyl-deeltjes dan ook voor als potentiële vervangers van electronen in de electronica, terwijl de MIT-groep hoopt dat ze er betere lasers mee kunnen maken."De natuurkunde achter het Weyl-fermion is zo vreemd dat er vele toepassingen kunnen ontstaan die we ons nu nog niet kunnen voorstellen," vertelt M. Zahid Hasan, een natuurkunde professor die het onderzoek bij Princeton leidde. Hij denkt dat we met Weyl-deeltjes een nieuwe vorm van massaloze elektronen kunnen gebruiken met een perfecte efficiëntie. Ze genereren geen hitte, ondanks hun mogelijkheden om door andere deeltjes heen te tunnelen."Ze genereren met andere woorden geen weerstand, omdat ze niet botsen op andere deeltjes. Het is alsof ze een GPS systeem hebben en ze zichzelf door stoffen heen kunnen loodsen zonder ergens tegenaan te botsen," zegt Hasan. Ze bewegen in één richting en blijven dat ook doen door door hun spin. Ze stoppen vervolgens niet omdat ze door deeltjes heen tunnelen. Het zijn erg snelle elektronen die zich als eenrichtingslicht gedragen en daarom veel toepassingen hebben voor quantumcomputers."