Deux études, dont les résultats intitulés respectivement «Discovery of a Weyl Fermion semimetal and topological Fermi arcs» et «Experimental observation of Weyl points» ont été publiés dans la revue Science, fournissent, pour la première fois, des preuves en laboratoire de l’existence du fermion de Weyl, une particule prédite dès 1929 par le physicien et mathématicien allemand Hermann Weyl, qui était restée insaisissable pendant presque un siècle.

Rappelons tout d'abord que les particules élémentaires se répartissent en deux grands groupes, d'une part, les bosons «responsables des forces qui régissent notre univers» et, d'autre part, les fermions qui «sont les briques de base de la matière».

Pendant longtemps, la particule de Weyl, qui est sans masse contrairement à tous les autres fermions, avait été assimilée au neutrino, ce qui n'est plus le cas depuis 1998, date où il est apparu que le neutrino présentait une faible masse.

Dans le cadre de la première étude, les chercheurs, qui avaient théorisé auparavant l’existence de fermions de Weyl dans un cristal d'arséniure de tantale, ont utilisé pour leur expérience un cristal d'arséniure de tantale asymétrique, après avoir simulé «des dizaines de structures cristallines».

Cette structure, qui «a été validée à l’aide d’un spectromicroscope à effet tunnel refroidi au niveau du zéro absolu et suspendu au plafond pour éviter les vibrations», a été soumise «à un faisceau de photons issu d’un accélérateur à haute énergie» de sorte que la forme, la taille et la direction du faisceau induit a «révélé la présence jusqu'alors insaisissable du fermion de Weyl» dans ce semimétal.

Plus précisément, le fermion de Weyl apparaît comme une perturbation du milieu qui en fait une quasi-particule. Ainsi, sa description dans un cristal «fait intervenir un espace abstrait dans lequel émergent des équations qui ressemblent beaucoup à celles qui régissent des monopôles magnétiques, dans un espace réel», les fermions de Weyl portant dans cet espace abstrait «des analogues des charges magnétiques (elles peuvent être opposées)».

La seconde étude, pour sa part, a employé dans le cadre d'une expérience très similaire un cristal photonique structuré en gyroïde. Ce choix découle du fait que, «depuis quelque deux années, les physiciens supposaient que de briser les symétries» d'un gyroïde, qui est «une surface qui minimise son aire tout en réalisant une contrainte», pourrait faire apparaître des fermions de Weyl.

Un avantage des fermions de Weyl est qu'ils ne se dispersent jamais lorsqu’ils rencontrent un obstacle, «contrairement aux électrons qui sont facilement rétrodiffusés»: en effet, «ils n’interagissent qu’avec d’autres fermions de Weyl et, en attendant, suivent imperturbablement leur trajet». Il en résulte qu'ils sont capables de «transporter des charges à grande vitesse, sur de longues distances et sans dégager de chaleur» ce qui peut «accroître considérablement l’efficacité des systèmes électroniques».