Обнаружена квазичастица, имеющая массу только при движении в одном направлении

Впервые ученым удалось наблюдать квазичастицу, которая не имеет массы при движении в одном направлении, но обладает массой, если движется в другом. (Квазичастица — совокупность частиц, ведущих себя конкретным образом, когда уравнения движения многих частиц можно переписать так, что они сведутся к уравнению, по форме выглядящем как уравнение движения некой новой частицы.) Эта квазичастица, полудираковский фермион, была теоретически предсказана 16 лет назад и только недавно обнаружена внутри кристалла материала ZrSiS. Исследователи считают, что наблюдение этой квазичастицы открывает путь к будущим технологическим достижениям, например, в аккумуляторах и датчиках, сообщает Университет штата Пенсильвания. Открытие описано в Physical Review X.

«Это было совершенно неожиданно. Мы даже не искали полудираковский фермион, когда начали работать с этим материалом, но обнаружили характерные признаки, которые не могли объяснить.  Оказалось, что мы сделали первое наблюдение этих удивительных квазичастиц, которые иногда движутся как имеющие массу, а иногда — как не имеющие», — говорит Иньмин Шао, доцент кафедры физики в Университете Пенсильвании и ведущий автор статьи.

Частица может не иметь массы, если ее энергия полностью связана с движением, то есть она по сути является чистой энергией, движущейся со скоростью света. Например, фотон (частица света) считается безмассовой, так как движется со световой скоростью. Согласно Специальной теории относительности, ничего не может иметь массу при движении со скоростью света. В твердых материалах коллективное поведение множества частиц — квазичастица — может отличаться от поведения отдельных частиц, что в данном случае привело к возникновению частиц, имеющих массу только в одном направлении.

Полудираковские фермионы были впервые теоретически предсказаны в 2008 и 2009 годах несколькими группами ученых. Теоретики рассчитали, что может существовать квазичастица с меняющейся в зависимости от направления движения массой — она кажется безмассовой в одном направлении, но приобретают массу при движении в другом направлении.

Спустя шестнадцать лет Шао и его коллеги случайно зафиксировали их с помощью метода магнито-оптической спектроскопии: облучение материала инфракрасным светом при наложении на него сильного магнитного поля и анализ отраженного света. 

Гибридный магнит Национальной лаборатории высоких магнитных полей во Флориде создает сильнейшее устойчивое магнитное поле в мире, примерно в 900 000 раз сильнее магнитного поля Земли. Такое мощное поле может даже поднимать небольшие объекты, например, капли воды. Исследователи охладили кусок ZrSiS до -452 градусов по Фаренгейту — всего на несколько градусов выше абсолютного нуля — и затем подвергли его воздействию мощного магнитного поля, одновременно освещая инфракрасным светом.

«Мы изучали оптический отклик (как электроны внутри материала реагируют на свет), а затем анализировали сигналы от света, чтобы понять, есть ли что-то интересное в физике самого материала. Сначала мы увидели множество ожидаемых особенностей, а затем стало происходить нечто совершенно странное», — рассказывает Шао.

Когда на материал накладывается магнитное поле, энергетические уровни (собственные значения энергии) электронов внутри материала разделяются на так называемые уровни Ландау. Расстояние между этими уровнями зависит от массы электронов и силы магнитного поля, по мере увеличения магнитного поля они должны увеличиваться на фиксированные величины, основанные исключительно на их массе (похоже на подъем по ступенькам).

Но в этом случае они не увеличивались. Исследователи обнаружили, что энергия переходов уровней Ландау в кристалле ZrSiS следовала совершенно иному образцу в зависимости от силы магнитного поля. Именно так должны были выглядеть полудираковские фермионы.

«Представьте себе частицу как маленький поезд, движущийся по сети путей (структуре расположения электронов материала). Наш поезд движется по своей самой быстрой дороге, на скорости света, но затем он сталкивается с перекрестком и должен свернуть на перпендикулярный путь. Внезапно он испытывает сопротивление, у него появляется масса. Получается, что частицы либо целиком энергия, либо имеют массу в зависимости от направления их движения по "путям" материала», — поясняет Шао.

ZrSiS — слоистый материал, подобный графиту, который можно расслаивать до листов углерода толщиной в один атом. Один такой лист образует графен — ключевой компонент в технологиях будущего, включая аккумуляторы, суперконденсаторы, солнечные элементы, датчики и биомедицинские устройства.

«Как только мы сможем выяснить, как создать одну пластину этого соединения, то сможем воспользоваться свойствами полудираковских фермионов, управлять его свойствами с такой же точностью, как графеном. Но самая захватывающая часть этого эксперимента — что данные пока не могут быть полностью объяснены. Осталось много неразгаданных загадок, и это то, над чем мы работаем», — говорит Шао.