Le fermion de Weyl – une insaisissable particule sans masse théorisée il y a 85 ans – a été confirmé par des observations directes pour la première fois.
L’image d’un détecteur signale l’existence d’un fermion de Weyl. Les signes plus et moins indiquent si le spin de la particule est dans la même direction que son mouvement – ce qui est connu comme étant droitier – ou dans la direction opposée dans laquelle elle se déplace, ou gaucher. Cette double capacité permet aux fermions de Weyl d’avoir une grande mobilité. Crédit image : Su-Yang Xu / M. Zahid Hasan / Université de Princeton.
En 1928, Paul Dirac a découvert une équation cruciale en physique des particules et en mécanique quantique, connue aujourd’hui sous le nom d’équation de Dirac.
Les électrons très rapides étaient des solutions à l’équation de Dirac. De plus, l’équation prédisait l’existence d’anti-électrons, ou positrons : des particules ayant la même masse que les électrons mais ayant une charge opposée. Conformément à la prédiction de Dirac, les positrons ont été découverts en 1932 par le physicien américain Carl Anderson.
En 1929, le mathématicien d’origine allemande Hermann Weyl trouve une autre solution à l’équation de Dirac, cette fois sans masse.
Un an plus tard, Wolfgang Pauli postulait l’existence du neutrino, que l’on croyait alors sans masse et qui était supposé être la solution recherchée de l’équation de Dirac trouvée par Weyl.
Les neutrinos n’avaient pas encore été détectés dans la nature, mais l’affaire semblait close. Il faudra attendre des décennies pour que les physiciens américains Frederick Reines et Clyde Cowan découvrent enfin les neutrinos en 1957, et de nombreuses expériences menées peu après indiquent que les neutrinos peuvent avoir une masse.
En 1998, l’observatoire de neutrinos de la collaboration Super-Kamiokande, au Japon, a annoncé ce qui avait été spéculé depuis des années : les neutrinos ont une masse non nulle. Cette découverte a ouvert une nouvelle question : quelle était donc la solution de masse nulle trouvée par Weyl ?
Deux équipes internationales de physiciens ont indépendamment trouvé la réponse. Dans deux articles distincts, publiés en ligne dans le journal Science, ils rapportent les premières observations d’une particule sans masse appelée fermion de Weyl.
Contrairement aux électrons, les fermions de Weyl sont sans masse et possèdent un haut degré de mobilité ; le spin de la particule est à la fois dans la même direction que son mouvement – ce qui est connu comme étant droitier – et dans la direction opposée dans laquelle elle se déplace, ou gaucher.
“La physique du fermion de Weyl est si étrange que cette particule pourrait donner lieu à de nombreuses choses que nous ne sommes tout simplement pas capables d’imaginer actuellement”, a déclaré le professeur Zahid Hasan de l’université de Princeton, auteur principal de l’un des deux articles.
“La découverte diffère des autres découvertes de particules en ce que le fermion de Weyl peut être reproduit et potentiellement appliqué.”
“Généralement, les particules telles que le célèbre boson de Higgs sont détectées dans les suites fugaces des collisions de particules. Le fermion de Weyl, lui, a été découvert à l’intérieur d’un cristal métallique synthétique appelé arséniure de tantale”, a déclaré le professeur Hasan.
Le fermion de Weyl possède deux caractéristiques qui pourraient faire de sa découverte une aubaine pour l’électronique du futur, notamment pour le développement du domaine très prisé de l’informatique quantique efficace.
“Pour un physicien, les fermions de Weyl sont surtout remarquables pour se comporter comme un composite de particules de type monopole et antimonopole lorsqu’ils sont à l’intérieur d’un cristal. Cela signifie que les particules de Weyl qui ont des charges magnétiques opposées peuvent néanmoins se déplacer indépendamment les unes des autres avec un haut degré de mobilité”, a déclaré le professeur Hasan.
Les physiciens ont également découvert que les fermions de Weyl peuvent être utilisés pour créer des électrons sans masse qui se déplacent très rapidement sans rétrodiffusion, c’est-à-dire que les électrons sont perdus lorsqu’ils entrent en collision avec un obstacle. En électronique, la rétrodiffusion nuit à l’efficacité et génère de la chaleur.
“C’est comme s’ils avaient leur propre GPS et se dirigeaient eux-mêmes sans rétrodiffusion. Ils se déplacent et ne se déplacent que dans une seule direction puisqu’ils sont soit droitiers, soit gauchers, et ne s’arrêtent jamais car ils ne font que traverser le tunnel. Ce sont des électrons très rapides qui se comportent comme des faisceaux lumineux unidirectionnels et qui peuvent être utilisés pour de nouveaux types d’informatique quantique”, a déclaré le professeur Hasan.
En recherchant le fermion de Weyl, les scientifiques ont dû faire appel à un certain nombre de disciplines, ainsi qu’à la science de l’information.ont foi en leur quête et en leurs instincts scientifiques.
“La résolution de ce problème a fait intervenir la théorie de la physique, la chimie, la science des matériaux et, surtout, l’intuition. Ce travail montre vraiment pourquoi la recherche est si fascinante, car elle implique à la fois une pensée rationnelle et logique, mais aussi des étincelles et de l’inspiration”, a déclaré le Dr Su-Yang Xu de l’Université de Princeton, membre de l’équipe du professeur Hasan.
“Après plus de 80 ans, nous avons découvert que ce fermion était déjà là, à attendre. C’est l’élément de base de tous les électrons”, a déclaré le professeur Hasan.
“Il est passionnant que nous ayons enfin pu le faire apparaître en suivant la recette théorique de Weyl de 1929”.
“Tous les articles écrits sur les fermions de Weyl (points) étaient théoriques, jusqu’à présent”, a déclaré le professeur Marin Soljači du MIT, qui est l’auteur principal de l’autre article publié dans la revue. Science.
