Ta cząstka ma masę i nie ma masy. To zależy, w jakim kierunku się porusza
Naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali zbiór kwazicząstek, które posiadają masę, gdy poruszają się w jednym kierunku, ale nie mają masy, gdy poruszają się prostopadle do niego. Teoretycy zaproponowali istnienie takich cząstek, zwanych fermionami semi-Diraca, już 16 lat temu, ale dopiero teraz udało się je zaobserwować.
Fermiony semi-Diraca (semi-Dirac fermions), a właściwie efekty wskazujące na ich istnienie, dostrzegli naukowcy z Pennsylvania State University oraz z Columbia University. Zaobserwowali je wewnątrz materiału półmetalicznego zwanego ZrSiS. To związek cyrkonu, krzemu i siarki, który zmienia swoje właściwości w ekstremalnych warunkach. Zdaniem naukowców obserwacja tych kwazicząstek może doprowadzić do opracowania szeregu nowych technologii.
Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Physical Review X" (DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041057).
Teoretyczne przewidywania
Badaniami, które zaowocowały obserwacjami fermionów semi-Diraca kierował Yinming Shao z Pennsylvania State University. – To było całkowicie nieoczekiwane. Kiedy zaczynaliśmy pracę z tym materiałem, nawet nie szukaliśmy fermionu semi-Diraca, ale widzieliśmy sygnatury, których nie rozumieliśmy. Okazuje się, że dokonaliśmy pierwszej obserwacji tych kwazicząstek, które czasami poruszają się tak, jakby miały masę, a czasami, jakby jej nie miały – powiedział Shao.
Teorie dotyczące fermionów semi-Diraca zostały opracowane w latach 2008 i 2009 przez kilka zespołów badaczy, w tym naukowców z Université Paris Sud we Francji i University of California w Davis. Teoretycy przewidywali, że mogą istnieć kwazicząstki posiadające właściwości zmiany masy w zależności od kierunku ruchu – będą wyglądać na bezmasowe, gdy będą poruszać się w jednym kierunku, ale będą miały masę, gdy będą poruszać się w innym kierunku.
Dalsza część artykułu pod materiałem wideo
Niedawno Shao i jego współpracownicy przypadkowo zaobserwowali hipotetyczne kwazicząstki za pomocą metody zwanej spektroskopią magnetooptyczną. Technika ta polega na oświetlaniu światłem podczerwonym materiału, który jednocześnie jest poddawany działaniu silnego pola magnetycznego, a następnie analizowaniu, w jaki sposób się ono odbija przy zmianie natężenia pola magnetycznego oraz częstotliwości światła. Materiałem był wcześniej wspomniany ZrSiS.
Fermiony semi-Diraca
Naukowcy w swoich pracach wykorzystali potężny magnes, który wytwarza pole magnetyczne blisko milion razy silniejsze od ziemskiego. Schłodzili kawałek ZrSiS do zaledwie kilka stopni powyżej zera absolutnego, wystawili go na działanie silnego pola magnetycznego w laboratorium i oświetlali go światłem podczerwonym.
– Badaliśmy reakcję optyczną, czyli reakcję elektronów wewnątrz tego materiału na światło, a następnie badaliśmy odbite światło, aby sprawdzić, czy jest coś interesującego w samym materiale i leżącej u jego podstaw fizyce. W tym przypadku widzieliśmy wiele cech, których spodziewalibyśmy się w krysztale półmetalicznym, ale potem wydarzyły się inne rzeczy, które były absolutnie zagadkowe – przyznał Shao.
W miarę wzrostu pola magnetycznego poziomy energii elektronów powinny rosnąć o ustalone wielkości oparte wyłącznie na ich masie, ale w tym przypadku tak się nie działo. Aby zrozumieć dziwne zachowanie, które zaobserwowali, fizycy eksperymentalni nawiązali współpracę z fizykami teoretycznymi w celu opracowania modelu opisującego strukturę elektronową ZrSiS. Skupili się szczególnie na ścieżkach, po których elektrony mogą się poruszać i przecinać, aby zbadać, w jaki sposób elektrony wewnątrz materiału tracą masę, poruszając się w jednym kierunku, a nie w innym.
– Można sobie wyobrazić, że cząstka to mały pociąg ograniczony do sieci torów, które stanowią podstawową strukturę elektronową materiału. W pewnych miejscach tory się przecinają, więc nasz pociąg porusza się swoim szybkim torem, z prędkością światła, ale wtedy trafia na skrzyżowanie i musi skręcić na tor prostopadły. Nagle napotyka opór, ma masę – w zależności od kierunku ruchu wzdłuż "torów" materiału – wyjaśnił Shao.
Naukowcy dostrzegli fermiony semi-Diraca w punktach przecięcia, czyli na opisywanych przez Shao skrzyżowaniach. Wydawały się bezmasowe, gdy poruszały się po swoim szybkim torze, kiedy pole magnetyczne miało ten sam kierunek, ale zyskiwały masę, gdy poruszały się w kierunku prostopadłym, a pole magnetyczne było ustawione pod kątem prostym do trajektorii cząstek.
– Najbardziej ekscytującą częścią tego eksperymentu jest to, że nie można jeszcze w pełni wyjaśnić danych. To, co zaobserwowaliśmy, kryje w sobie wiele nierozwiązanych tajemnic, dlatego pracujemy nad ich zrozumieniem – podkreślił Shao.
Źródło: Pennsylvania State University, fot. Ppublic Domain Pictures/ CC0