Физики впервые поймали частицу с односторонней массой

Ученые впервые наблюдали квазичастицу, которая обладает массой только при движении в одном направлении, оставаясь безмассовой при движении в другом. Эти квазичастицы, называемые полу-Дираковскими фермионами , были впервые теоретически предсказаны 16 лет назад, но обнаружены лишь недавно в кристаллах полуметаллического материала ZrSiS. Это открытие может открыть новые возможности в разработке технологий для аккумуляторов, датчиков и других устройств.

Исследование было проведено учеными из Пенсильванского университета и Колумбийского университета с использованием метода магнито-оптической спектроскопии. Этот метод предполагает облучение материала инфракрасным светом в условиях сильного магнитного поля и анализ отраженного света. Эксперименты проводились в Национальной лаборатории высоких магнитных полей во Флориде, где создается одно из самых мощных постоянных магнитных полей в мире, в 900 тысяч раз превышающее земное.

Для экспериментов исследователи охладили образцы ZrSiS до температуры -452°F, что всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, и облучали их инфракрасным светом в сильном магнитном поле. При этом были обнаружены квантовые взаимодействия, указывающие на наличие полу-Дираковских фермионов. Эти квазичастицы демонстрируют уникальное поведение: при движении вдоль одной траектории они ведут себя как частицы без массы, но при изменении направления приобретают массу.

Обнаруженные свойства подтверждаются теоретической моделью, описывающей электронную структуру ZrSiS. Эта структура напоминает сеть путей, где электроны двигаются как по “рельсам”. На определенных точках пересечения траектории их движение меняется, что и приводит к смене поведения — от движения со скоростью света к движению с массой.

Полу-Дираковские фермионы были предсказаны в 2008 году, когда ученые предположили, что квазичастицы могут обладать массой, зависящей от направления их движения. Наблюдение “B²/₃” закономерности, описывающей зависимость уровней энергии в ZrSiS от магнитного поля, стало ключевым подтверждением их существования.

Этот материал имеет слоистую структуру, аналогичную графиту, что делает возможным создание сверхтонких слоев, схожих с графеном. Графен уже используется в различных высокотехнологичных устройствах, таких как суперконденсаторы и биомедицинские сенсоры. Исследователи считают, что подобный подход может быть применен и к ZrSiS, что позволит управлять свойствами полу-Дираковских фермионов с высокой точностью.

Однако многие аспекты поведения этих частиц пока остаются загадкой, и ученые продолжают изучать их свойства, чтобы понять все механизмы, лежащие в основе наблюдаемых явлений.