Парадоксално явление: физиците уловиха частица с еднопосочна маса

Най-накрая е разгадана тайната на полудираковите фермиони.

Учените за първи път наблюдаваха квазичастица, която има маса само когато се движи в едната посока, докато при движение в другата остава без маса. Тези квазичастици, наречени полудиракови фермиони, бяха теоретично предвидени за първи път преди 16 години, но едва наскоро бяха открити в кристалите на полуметалния материал ZrSiS. Това откритие може да открие нови възможности за разработване на технологии за батерии, сензори и други устройства.

Изследването е проведено от учени от Университета на Пенсилвания и Колумбийския университет с помощта на магнитооптична спектроскопия. Този метод включва облъчване на даден материал с инфрачервена светлина под силно магнитно поле и анализ на отразената светлина. Експериментите са проведени в Националната лаборатория за силни магнитни полета във Флорида, където се създава едно от най-мощните постоянни магнитни полета в света, 900 хиляди пъти по-високо от земното.

За целите на експериментите изследователите са охладили образци от ZrSiS до температура -452°F, което е само няколко градуса над абсолютната нула, и са ги облъчили с инфрачервена светлина в силно магнитно поле. Открити бяха квантови взаимодействия, които показват наличието на полудиракови фермиони. Тези квазичастици показват уникално поведение: когато се движат по една траектория, те се държат като частици без маса, но когато променят посоката си, придобиват маса.

Откритите свойства се потвърждават от теоретичен модел, описващ електронната структура на ZrSiS. Тази структура наподобява мрежа от трасета, по които електроните се движат сякаш по „релси“. В определени точки, където трасетата се пресичат, движението им се променя, което води до промяна в поведението им – от движение със скоростта на светлината към движение с маса.

Полудираковите фермиони бяха предсказани през 2008 г., когато учените предположиха, че квазичастиците могат да имат маса в зависимост от посоката на движението си. Наблюдението на модела „B²/₃“, описващ зависимостта на енергийните нива в ZrSiS от магнитното поле, беше ключово потвърждение за тяхното съществуване.

Този материал има слоеста структура, подобна на графита, което прави възможно създаването на свръхтънки слоеве, подобни на графена. Графенът вече се използва в редица високотехнологични устройства като суперкондензатори и биомедицински сензори. Изследователите смятат, че подобен подход може да бъде приложен към ZrSiS, което ще даде възможност с висока точност да се контролират свойствата на полудираковите фермиони.

Въпреки това много аспекти от поведението на тези частици все още са загадка и учените продължават да изучават свойствата им, за да разберат всички механизми, лежащи в основата на наблюдаваните явления. Очакванията са, че ще се появят редица нови полезни технологии и материали.