Ученые сделали убедительное и интригующее физическое открытие примерно через 16 лет после того, как его возможность была впервые предсказана: квазичастица (группа частиц, ведущих себя как единое целое), которая имеет эффективную массу только при движении в одном направлении.
В физике масса обычно относится к свойству частиц, которое относится к таким вещам, как их энергия и сопротивление движению. Однако не вся масса устроена одинаково — некоторые описывают энергию частицы в состоянии покоя, например, в то время как масса может также учитывать энергию движения частицы.
В этом случае эффективная масса описывает реакцию квазичастицы на силы, которая меняется в зависимости от того, происходит ли движение через материал вверх-вниз или вперед-назад.
В то время как обычные квазичастицы имеют одинаковую массу независимо от направления своего движения, полудираковские фермионы (если использовать их техническое название), изучаемые здесь, похоже, не подчиняются обычным правилам.
Это открытие может иметь принципиальное значение в таких областях, как квантовая физика и электронные датчики.
Новая квазичастица была обнаружена международной группой ученых внутри полуметаллического кристалла ZrSiS, охлажденного до -452 градусов по Фаренгейту (или -269 градусов по Цельсию) — экстремальный набор условий для чрезвычайно редкой квазичастицы.
Частицы в целом можно описать как
бозоны или
фермионы , в зависимости от меры свойства, называемого спином. Фермионы Дирака — как в типичной, так и в квазичастичной форме — обладают свойствами, которые проявляются в противоположных формах частиц и античастиц.
Этот полудираковский фермион, подробно описанный в новом исследовании, представляет собой странное чудовище, которое до сих пор существовало только в теории и функционирует в совершенно иных энергетических условиях в перпендикулярных направлениях.
«Это было совершенно неожиданно», — говорит физик-теоретик конденсированного состояния 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».
«Оказывается, мы впервые наблюдали эти дикие квазичастицы, которые иногда движутся так, будто у них есть масса, а иногда — так, будто у них ее нет».
Исследователи использовали научный метод анализа, известный как магнитооптическая спектроскопия, когда сделали это открытие. Это когда материалы изучаются с помощью инфракрасных отражений света, которые они испускают под воздействием сильного магнитного поля.
И мы имеем в виду сильное: примерно в 900 000 раз сильнее магнитного поля Земли, любезно предоставлено Национальной лабораторией сильных магнитных полей во Флориде. Это экзотические условия, которые ученые используют для изучения самых редких взаимодействий в самых малых масштабах.
Оттуда полудираковская фермионная активность была обнаружена и идентифицирована с помощью некоторого численного моделирования: будучи безмассовым в одном направлении (со всей его энергией, описываемой его движением), но имея эффективную массу в другом. К счастью для нефизиков, исследователи приводят аналогию.
«Представьте, что частица — это крошечный поезд, ограниченный сетью рельсов, которые представляют собой базовую электронную структуру материала», — говорит Шао.
«Теперь в определенных точках пути пересекаются, поэтому наш поезд частиц движется по своему быстрому пути со скоростью света, но затем он попадает на пересечение и ему нужно переключиться на перпендикулярный путь.
«Внезапно он испытывает сопротивление, у него появляется масса. Частицы либо полностью состоят из энергии, либо имеют массу в зависимости от направления их движения по «путям» материала».
Это знаменательный момент в физике, в том числе для тех, кто впервые выдвинул гипотезу об этом явлении еще в 2008 году. Однако здесь еще многое предстоит изучить — в том числе выяснить, как извлекать отдельные слои из многослойного кристалла ZrSiS — прежде чем мы сможем начать думать о его полном значении и практическом использовании.
«Самое захватывающее в этом эксперименте то, что полученные данные пока не могут быть полностью объяснены», — говорит Шао.
«В том, что мы наблюдали, есть много неразгаданных тайн, поэтому мы работаем над их пониманием».
Исследование опубликовано в
Physical Review X.
Прочитайте что такое взгляд в будущее