За първи път учените са наблюдавали съвкупност от частици, наречена още квазичастица ("мнима"-частица), която е безмасова, когато се движи в една посока, но има маса в друга посока. Квазичастицата, наречена полудираков фермион, е теоретично обоснована за първи път преди 16 години, но едва наскоро е забелязана в кристал на полуметален материал, наречен ZrSiS.
Според изследователите наблюдението на квазичастицата отваря вратата към бъдещ напредък в редица нови технологии - от батерии до сензори.
Екипът, ръководен от учени от Пенсилванския и Колумбийския университет, наскоро публикува откритието си в списание Physical Review X.
"Това беше напълно неочаквано", коментира Инмин Шао (Yinming Shao), доцент по физика в Пенсилванския университет и водещ автор на статията. "Когато започнахме да работим с този материал, дори не търсехме полудираков фермион, но виждахме подписи, които не разбирахме - и се оказа, че сме направили първото наблюдение на тези диви квазичастици, които понякога се движат така, сякаш имат маса, а понякога се движат така, сякаш нямат никаква."
Една частица не може да има маса, когато енергията ѝ е изцяло получена от движението ѝ, което означава, че по същество тя е чиста енергия, движеща се със скоростта на светлината. Например фотонът или частицата светлина се счита за безмасова, защото се движи със скоростта на светлината. Според Специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн нищо, което се движи със скоростта на светлината, не може да има маса.
В твърдите материали колективното поведение на много частици, наричани още квазичастици, може да има различно поведение от това на отделните частици, което в този случай е довело до появата на частици с маса само в една посока, обяснява Шао.
Полудираковите фермиони са теоретично обосновани за първи път през 2008 и 2009 г. от няколко екипа изследователи, включително учени от Университета Париж Суд във Франция и Калифорнийския университет в Дейвис. Теоретиците прогнозират, че могат да съществуват квазичастици със свойства за промяна на масата в зависимост от посоката им на движение - че те ще изглеждат безмасови в една посока, но ще имат маса, когато се движат в друга посока.
Шестнадесет години по-късно Шао и неговите сътрудници случайно наблюдават хипотетичните квазичастици чрез метод, наречен магнитооптична спектроскопия. Техниката включва облъчване на материал с инфрачервена светлина, докато той е подложен на силно магнитно поле, и анализиране на отразената от материала светлина. Шао и колегите му искали да наблюдават свойствата на квазичастиците във вътрешността на сребристо оцветени кристали от ZrSiS.
Спектроскопията на нивата на Ландау хвърля светлина върху полудираковите фермиони в точката на пресичане на две възлови линии в полуметален материал. Кредит: Yinming Shao.
Екипът провежда експериментите си в Националната лаборатория за високи магнитни полета във Флорида. Хибридният магнит на лабораторията създава най-мощното устойчиво магнитно поле в света, приблизително 900 000 пъти по-силно от магнитното поле на Земята. Полето е толкова силно, че може да накара малки обекти, като например водни капки, да левитират.
Изследователите охлаждат парче ZrSiS до -268.9°C - само няколко градуса над абсолютната нула (-273.15°C), най-ниската възможна температура - и след това го излагат на мощното магнитно поле, с което разполага лабораторията, докато го облъчват с инфрачервена светлина, за да се разкрият квантовите взаимодействия вътре в материала.
"Изследвахме оптичната реакция, как електроните вътре в този материал реагират на светлината, а след това изучавахме сигналите от светлината, за да видим дали има нещо интересно за самия материал, за неговата основна физика", казва Шао. "В този случай видяхме много характеристики, които бихме очаквали в един полуметален кристал, а след това се случиха всички тези други неща, които бяха абсолютно озадачаващи."
Когато се приложи магнитно поле към който и да е материал, енергийните нива на електроните в този материал се квантуват в дискретни нива, наречени нива на Ландау, обяснява Шао. Нивата могат да имат само фиксирани стойности, подобно на изкачването на стълби без малки стъпала между тях. Разстоянието между тези нива зависи от масата на електроните и силата на магнитното поле, така че с увеличаването на магнитното поле енергийните нива на електроните би трябвало да се увеличават със зададени стойности, базирани изцяло на тяхната маса - но в този случай това не се случва.
Използвайки мощния магнит във Флорида, изследователите наблюдават, че енергията на преходите на нивото на Ландау в кристала ZrSiS следва напълно различен модел на зависимост от силата на магнитното поле. Преди години теоретиците са нарекли този модел "закон на силата В2/3" - ключов признак на полудираковите фермиони.
За да разберат странното поведение, което са наблюдавали, експерименталните физици са си партнирали с теоретични физици, за да разработят модел, който описва електронната структура на ZrSiS. Те се фокусирали специално върху пътищата, по които електроните могат да се движат и пресичат, за да изследват как електроните в материала губят своята маса, когато се движат в една посока, но не и в друга.
"Представете си, че частицата е малък влак, ограничен в мрежа от релси, които са основната електронна структура на материала", обяснява Шао. "Сега, в определени точки релсите се пресичат, така че нашият влак с частици се движи по бързата си писта със скоростта на светлината, но след това се натъква на кръстовище и трябва да премине на перпендикулярна писта. Изведнъж той изпитва съпротивление, има маса. Всички частици са или енергия, или имат маса в зависимост от посоката на движението им по "релсите" на материала."
Анализът на екипа показа наличието на полудиракови фермиони в точките на пресичане. По-конкретно, те изглеждат безмасови, когато се движат по линеен път, но преминават към наличие на маса, когато се движат в перпендикулярна посока. Шао обяснява, че ZrSiS е слоест материал, подобно на графита, който се състои от слоеве въглеродни атоми, които могат да бъдат ексфолирани надолу в листове графен с дебелина един атом. Графенът е важен компонент в нововъзникващите технологии, включително батерии, суперкондензатори, слънчеви клетки, сензори и биомедицински устройства.
"Това е слоест материал, което означава, че щом разберем как да имаме еднослойно изрязване на това съединение, можем да използваме силата на полудираковите фермиони, да контролираме свойствата му със същата прецизност като графена", посочва Шао. "Но най-вълнуващата част от този експеримент е, че данните все още не могат да бъдат напълно обяснени. В това, което наблюдавахме, има много неразгадани загадки, така че именно за това работим, за да го разберем."
Справка: Yinming Shao et al, Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal, Physical Review X (2024). DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041057
Източник: Particle that only has mass when moving in one direction observed for first time, Adrienne Berard, Pennsylvania State University
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари