Представьте себе мир, где законы физики слегка… непостоянны. Мир, где нечто может обладать массой, двигаясь в одну сторону, и тут же терять её, меняя направление. Звучит как научная фантастика? Отнюдь. Недавно группа учёных, ведомая исследователями из Университета штата Пенсильвания и Колумбийского университета, сделала поразительное открытие, которое заставляет пересмотреть привычные представления о материи. Речь идёт о квазичастице, получившей название «полудираковский фермион», — удивительном объекте, чьё поведение бросает вызов устоявшимся физическим законам.
Любопытно, что изначально исследователи вовсе не охотились за этим неуловимым «зверем». По словам ведущего автора исследования Иньмина Шао, всё началось с рутинного изучения свойств полуметаллического материала ZrSiS. Учёные погрузились в исследование его оптического отклика, анализируя, как электроны внутри материала взаимодействуют со светом. И тут, посреди, казалось бы, предсказуемых результатов, стали возникать аномалии. Данные указывали на нечто, выходящее за рамки привычного понимания.
«Мы словно наткнулись на потайную дверь в комнате, которую, как нам казалось, мы знали вдоль и поперек», — образно описывает ситуацию Шао.
Чтобы понять природу этой «тайной двери», учёные прибегли к методу магнитооптической спектроскопии. Представьте себе: кристалл ZrSiS, охлаждённый почти до абсолютного нуля (-269°C), помещается в сильнейшее магнитное поле. На него направляют луч инфракрасного света и затем анализируют отраженный сигнал, пытаясь расшифровать «разговор» частиц внутри материала.
И вот тут началось самое интересное. В нормальных условиях при увеличении магнитного поля энергетические уровни электронов должны меняться строго определённым образом, в зависимости от их массы. Это как подъём по лестнице: высота каждой ступеньки фиксирована. Но в случае с ZrSiS эта «лестница» повела себя совершенно непредсказуемо. Энергетические уровни менялись не так, как должны были, нарушая все мыслимые правила.
Что же происходило внутри кристалла? Ключ к разгадке оказался в особой электронной структуре материала. Ученые сравнили поведение частиц с движением поезда по сложной системе путей. Представьте, что «поезд"-частица мчится по своему пути со скоростью света, не имея массы, но, достигая перекрестка и сворачивая на перпендикулярный путь, он внезапно «обрастает» массой. Словно невидимая сила на мгновение придаёт ему тяжесть.
Именно на этих «перекрёстках» и прятались загадочные полудираковские фермионы, меняя свои свойства в зависимости от направления движения.
Это открытие, описанное в журнале Physical Review X, — не просто очередная научная сенсация. Оно имеет далеко идущие последствия. ZrSiS, подобно графиту, состоит из слоёв, которые потенциально можно разделить до уровня отдельных атомов. И если учёные найдут способ управлять свойствами полудираковских фермионов в однослойном ZrSiS, как сейчас это делают с графеном, перед нами откроются поистине фантастические перспективы.
«Пока что мы лишь приоткрыли завесу тайны, — признаётся Шао. — Но уже сейчас ясно, что это открытие может привести к революционным прорывам в создании новых аккумуляторов, сенсоров и множества других устройств».
Впереди — долгий путь, полный новых вопросов и, несомненно, новых открытий. И кто знает, возможно, именно эти загадочные квазичастицы, меняющие массу по собственному желанию, станут ключом к технологиям будущего, о которых мы пока можем только мечтать.
