Впервые ученые наблюдали совокупность частиц, также известную как квазичастица, которая не имеет массы при движении в одном направлении, но имеет массу в другом направлении. Квазичастица, называемая полудираковским фермионом, была впервые теоретизирована 16 лет назад, но только недавно была обнаружена внутри кристалла полуметаллического материала под названием ZrSiS. По словам исследователей, наблюдение квазичастицы открывает дверь для будущих достижений в ряде новых технологий от батарей до датчиков.
Группа ученых под руководством ученых из Университета штата Пенсильвания и Колумбийского университета недавно опубликовала свое открытие в журнале Physical Review X.
«Это было совершенно неожиданно», — сказал ведущий автор исследования Иньмин Шао из Университета штата Пенсильвания. «Мы даже не искали полудираковские фермионы, когда начали работать с этим материалом, но мы увидели сигнатуры, которые не понимали, — и оказалось, что мы сделали первое наблюдение этих диких квазичастиц, которые иногда движутся так, будто у них есть масса, а иногда — так, будто у них ее нет».
Частица не может иметь массы, если ее энергия полностью выводится из ее движения, то есть по сути это чистая энергия, движущаяся со скоростью света. Например, фотон или частица света считается безмассовой, поскольку она движется со скоростью света. Согласно специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, все, что движется со скоростью света, не может иметь массы.
Шао объяснил, что в твердых материалах коллективное поведение многих частиц, также известных как квазичастицы, может отличаться от поведения отдельных частиц, что в данном случае привело к появлению частиц, имеющих массу только в одном направлении.
Полудираковские фермионы были впервые теоретически описаны в 2008 и 2009 годах несколькими группами исследователей, включая ученых из Университета Париж-Юг во Франции и Калифорнийского университета в Дэвисе. Теоретики предсказали, что могут существовать квазичастицы со свойствами изменения массы в зависимости от направления их движения — что они будут казаться безмассовыми в одном направлении, но иметь массу при движении в другом направлении.
Шестнадцать лет спустя Шао и его коллеги случайно наблюдали гипотетические квазичастицы с помощью метода, называемого магнитооптической спектроскопией. Метод заключается в освещении инфракрасным светом материала, находящегося в сильном магнитном поле, и анализе отраженного от материала света. Шао и его коллеги хотели наблюдать свойства квазичастиц внутри серебристых кристаллов ZrSiS.
Команда проводила свои эксперименты в Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде. Гибридный магнит лаборатории создает самое мощное устойчивое магнитное поле в мире, примерно в 900 000 раз сильнее магнитного поля Земли. Поле настолько сильное, что может поднимать в воздух небольшие объекты, такие как капли воды.
Исследователи охладили кусок ZrSiS до -452 °F (всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, минимально возможной температуры), а затем подвергли его воздействию мощного магнитного поля лаборатории, одновременно освещая инфракрасным светом, чтобы узнать, что это даст о квантовых взаимодействиях внутри материала.
«Мы изучали оптический отклик, как электроны внутри этого материала реагируют на свет, а затем мы изучали сигналы от света, чтобы увидеть, есть ли что-то интересное в самом материале, в его базовой физике», — сказал Шао. «В этом случае мы увидели много особенностей, которые мы ожидали бы от полуметаллического кристалла, а затем произошло все это, что было совершенно загадочным».
Когда магнитное поле применяется к любому материалу, энергетические уровни электронов внутри этого материала квантуются в дискретные уровни, называемые уровнями Ландау, объяснил Шао. Уровни могут иметь только фиксированные значения, как подъем по лестнице без маленьких ступенек между ними. Расстояние между этими уровнями зависит от массы электронов и силы магнитного поля, поэтому по мере увеличения магнитного поля энергетические уровни электронов должны увеличиваться на заданные величины, основанные исключительно на их массе, но в этом случае этого не произошло.
Используя мощный магнит во Флориде, исследователи наблюдали, что энергия переходов уровня Ландау в кристалле ZrSiS следовала совершенно иной схеме зависимости от напряженности магнитного поля. Много лет назад теоретики назвали эту схему «законом мощности B 2/3 », ключевой сигнатурой полудираковских фермионов.
Чтобы понять странное поведение, которое они наблюдали, физики-экспериментаторы объединились с физиками-теоретиками для разработки модели, описывающей электронную структуру ZrSiS. Они специально сосредоточились на путях, по которым электроны могут двигаться и пересекаться, чтобы исследовать, как электроны внутри материала теряют свою массу, двигаясь в одном направлении, но не в другом.
«Представьте себе частицу — это крошечный поезд, заключенный в сеть дорожек, которые являются базовой электронной структурой материала», — сказал Шао. «Теперь в определенных точках дорожки пересекаются, поэтому наш поезд частиц движется по своей быстрой дорожке со скоростью света, но затем он попадает на перекресток и ему нужно переключиться на перпендикулярную дорожку. Внезапно он испытывает сопротивление, у него появляется масса. Частицы либо полностью состоят из энергии, либо имеют массу в зависимости от направления их движения по «дорожкам» материала».
Анализ команды показал наличие полудираковских фермионов в точках пересечения. В частности, они казались безмассовыми при движении по линейному пути, но переключались на наличие массы при движении в перпендикулярном направлении. Шао объяснил, что ZrSiS — это слоистый материал, очень похожий на графит, состоящий из слоев атомов углерода, которые можно расслаивать на листы графена толщиной в один атом. Графен является важнейшим компонентом в новых технологиях, включая батареи, суперконденсаторы, солнечные элементы, датчики и биомедицинские устройства.
«Это слоистый материал, а это значит, что как только мы поймем, как сделать однослойный срез этого соединения, мы сможем использовать силу полудираковских фермионов, контролировать его свойства с той же точностью, что и у графена», — сказал Шао. «Но самая захватывающая часть этого эксперимента заключается в том, что данные пока не могут быть полностью объяснены. В том, что мы наблюдали, есть много неразгаданных тайн, поэтому мы работаем над тем, чтобы понять это».
