Команда исследователей из США наткнулась на квазичастицы, которые прежде существовали только в теории - когда они движутся в одном направлении, у них есть масса, когда в другом - нет. Так называемые "полудираковские фермионы" были описаны 16 лет назад, но лишь недавно их обнаружили внутри кристалла полуметалла. Открытие может повлечь за собой появление новых технологий, от батарей до датчиков.
Частица может не иметь массы, если из ее движения полностью извлечена ее энергия, то есть, она становится чистой энергией, движущейся со скоростью света. Например, фотон. Согласно специальной теории относительности, все, что движется со скоростью света, не может обладать массой. В твердых веществах коллективное поведение квазичастиц может отличаться от поведения отдельных частиц. В частности, иметь массу только при движении в одном направлении.
Полудираковские фермионы были описаны физиками-теоретиками в 2008-09 годах. Они предсказывали возможность существования квазичастиц с такими свойствами, но только через 16 лет Шао Иньмин и его коллеги случайно наткнулись на них. Ученые из Университета Пенсильвании и Колумбийского университета признались, что вовсе не искали полудираковский фермион, когда начали изучать полуметалл ZrSiS методом магнитооптической спектроскопии. Проанализировав сигнатуры, которые они не могли объяснить, исследователи поняли, что стали первыми свидетелями существования этих квазичастиц.
Эксперименты проходили в Национальной лаборатории сильного магнитного поля во Флориде. Оборудование этой лаборатории способно создавать самое сильное постоянное магнитное поле в мире. Оно приблизительно в 900 000 раз сильнее, чем у Земли, и может удерживать в воздухе небольшие объекты вроде капель воды. Охладив образец ZrSiS почти до абсолютного нуля, ученые воздействовали на него магнитным полем и инфракрасным светом.
Результаты эксперимента не совпали с ожиданиями: энергетические уровни Ландау в кристалле подчинялись закономерностям, которые много лет назад физики-теоретики определили как ключевую сигнатуру полудираковских фермионов.
Для объяснения странного поведения этих частиц команда Шао вместе с коллегами-теоретичками разработала модель, описывающую электронную структуру ZrSiS. Особое внимание они уделили траекториям движения электронов внутри кристалла и тому, как электроны могут терять массу.
"Представьте себе крошечный поезд, едущий по ветвящимся путям. Это электронная структура материала, - пояснил Шао. - В определенной точке пути пересекаются. Сначала поезд несется по скоростному пути, со скоростью света, но потом он доезжает до перекрестка и должен повернуть на перпендикулярный путь. Внезапно он испытывает сопротивление, у него появляется масса. Частицы либо полностью состоят из энергии, либо у них есть масса, в зависимости от направления движения по „путям" в материале".
Именно это необычное свойство и наблюдали ученые в многослойном материале ZiSiS. Как только исследователи поймут, как разделить его на отдельные слои, они смогут использовать возможности полудираковского фермиона и управлять ими с той же точностью, как научились управлять свойствами графена.
Ученые десятки лет изучают тяжелые фермионы, класс материалов, электроны которых в тысячи раз тяжелее, чем в нормальных металлах. Взаимодействия частиц в тяжелых фермионах играют важную роль в квантовых феноменах, например, в сверхпроводимости. Однако прежде исследования ограничивались трехмерными кристаллами. Новый материал, созданный в США, имеет на одно измерение меньше.
