Вчені зробили відкриття в галузі фізики, через 16 років після того, як воно було вперше передбачено як можливе: квазічастинка (група частинок, що поводиться як одна), яка має ефективну масу лише під час руху в одному напрямку.
У фізиці маса зазвичай відноситься до властивості частинок, що визначає їх енергію та опір руху. Однак не вся маса однакова — деяка описує енергію частинки в стані спокою, в той час як маса може також враховувати енергію руху частинки.
У цьому випадку ефективна маса описує відповідь квазічастинки на сили, що змінюється в залежності від того, чи рухається вона вгору-вниз, чи вперед-назад.
Звичайні квазічастинки мають однакову масу незалежно від напрямку їхнього руху, але напів-Діраківський ферміон (так називається ця квазічастинка) не підкоряється звичайним законам.
Це відкриття може мати фундаментальні наслідки для таких галузей, як квантова фізика та електронні датчики.
Цю нову квазічастинку виявила міжнародна команда вчених в напівметалічному кристалі ZrSiS, охолодженому до -452 градусів за Фаренгейтом (або -269 градусів за Цельсієм) — екстремальні умови для дуже рідкісної квазічастинки.
Напів-Діраківський ферміон Ілюстрація структури ZrSiS біля точки перехрестя, де знаходиться напів-Діраківський ферміон. (Shao et al., Physical Review X, 2024)
Частинки зазвичай можна класифікувати як бозони або ферміони, в залежності від властивості, яку називають спіном. Діраківські ферміони — як у типовій, так і в квазічастинковій формі — мають властивості, що існують у протилежних формах частинки і античастинки.
Цей напів-Діраківський ферміон, детально описаний у новому дослідженні, є надзвичайно дивним об’єктом, який до цього часу існував лише в теорії, працюючи за зовсім іншими принципами енергії в перпендикулярних напрямках.
“Це було абсолютно несподівано,” каже фізик конденсованих середовищ Єнмін Шао з Пенсильванського університету. “Ми навіть не шукали напів-Діраківський ферміон, коли почали працювати з цим матеріалом, але ми бачили сигнали, яких не розуміли.”
“Виявилось, що ми зробили перше спостереження цих диких квазічастинок, які іноді рухаються так, ніби мають масу, а іноді — ні.”
Вчені використовували метод наукового аналізу, відомий як магнето-оптична спектроскопія, коли зробили це відкриття. Це метод, за якого матеріали вивчаються за допомогою інфрачервоного світла, яке вони відбивають під впливом сильного магнітного поля.
І ми маємо на увазі дуже сильне магнітне поле: близько 900 000 разів сильніше за магнітне поле Землі, завдяки Національній лабораторії високих магнітних полів у Флориді. Це екзотичні умови, які вчені використовують для дослідження рідкісних взаємодій на найменших масштабах.
Звідси було спостережено й ідентифіковано активність напів-Діраківського ферміона, з допомогою чисельного моделювання: він є безмасовим в одному напрямку (з усією енергією, що описується його рухом), але має ефективну масу в іншому. Для непосвячених вчені надають аналогію.
“Уявіть, що частинка — це маленький поїзд, який рухається по мережі колій, що є основною електронною структурою матеріалу,” каже Шао.
“Тепер, на деяких точках колії перетинаються, тому наш поїзд рухається по швидкісній колії, зі швидкістю світла, але потім потрапляє на перехрестя і має переключитись на перпендикулярну колію.”
“Раптом вона відчуває опір, вона має масу. Частинки або є лише енергією, або мають масу залежно від напрямку свого руху по ‘коліям’ матеріалу.”
Це важливий момент у фізиці, в тому числі для тих, хто вперше висунув цю ідею ще у 2008 році. Однак залишаються ще багато питань, що потребують дослідження, включаючи те, як витягнути окремі шари з багатошарового кристала ZrSiS, перш ніж ми зможемо подумати про його повні наслідки та можливе практичне використання.
“Найбільш захоплюючою частиною цього експерименту є те, що дані не можна ще повністю пояснити,” каже Шао.
“Є багато нерозв’язаних загадок у тому, що ми спостерігали, тому саме цим ми зараз і займаємось.”
Дослідження було опубліковано в журналі Physical Review X.