Ученые случайно обнаружили частицу, которая имеет массу, когда движется в одном направлении, но не имеет массы, когда движется в другом направлении. Известные как полудираковские фермионы, частицы с таким странным поведением были впервые предсказаны 16 лет назад.
Открытие было сделано в полуметаллическом материале ZrSiS, состоящем из циркония, кремния и серы, при изучении свойств квазичастиц. Они возникают из коллективного поведения многих частиц в твердом материале.
«Это было совершенно неожиданно», — сказал Иньмин Шао, ведущий автор исследования. «Мы даже не искали полудираковские фермионы, когда начали работать с этим материалом, но мы видели 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».
Это звучит как невозможный подвиг — как что-то может легко набирать и терять массу? Но на самом деле это возвращается к той классической формуле, о которой все слышали, но многие, возможно, не понимают — E = mc2. Она описывает связь между энергией частицы (E) и массой (m) со скоростью света (c) в квадрате.
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, ничто, имеющее массу, не может достичь скорости света, потому что для разгона до этой скорости потребовалось бы бесконечное количество энергии. Но забавная вещь происходит, когда вы переворачиваете это с ног на голову — если безмассовая частица замедляется со скорости света, она на самом деле приобретает массу.
И это то, что здесь происходит. Когда квазичастицы движутся вдоль одного измерения внутри кристаллов ZrSiS, они делают это со скоростью света и, следовательно, не имеют массы. Но как только они пытаются двигаться в другом направлении, они сталкиваются с сопротивлением, замедляются и приобретают массу.
«Представьте себе частицу — это крошечный поезд, ограниченный сетью 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».
Первоначально исследователи намеревались изучить квантовые взаимодействия в материале, наблюдая за тем, как электроны в нем реагируют на свет. Они обнаружили, что уровень энергии электронов следовал неожиданной схеме по мере увеличения силы магнитного поля, что оказалось ключевым предсказанием полудираковских фермионов.
Хотя это довольно концептуальная физика, команда говорит, что открытие может в конечном итоге открыть ряд приложений для ZrSiS, аналогичных приложениям графена.
«Это слоистый материал, что означает, что как только мы сможем выяснить, как получить однослойный разрез 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 их пониманием».
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review X.
