Недавнее открытие в области квантовой физики привлекло внимание ученых по всему миру. Исследователи впервые наблюдали полудираковские фермионы — квазичастицы, которые имеют массу только при движении в одном направлении, в то время как в другом направлении они остаются безмассовыми. Это явление было теоретически предсказано 16 лет назад, но только теперь удалось его зафиксировать.

Работа проводилась с использованием полуметаллического материала ZrSiS. Ученые, включая Иньмина Шао из Университета штата Пенсильвания, не ожидали найти такие квазичастицы, когда начали эксперименты с этим материалом. Однако результаты оказались неожиданными. При освещении ZrSiS инфракрасным светом в сильном магнитном поле, команда заметила сигнатуры, которые не могли объяснить. Это привело к открытию полудираковских фермионов, которые, как оказалось, могут менять свои свойства в зависимости от направления движения.

Полудираковские фермионы представляют собой интересный пример того, как коллективное поведение частиц в твердых телах может отличаться от поведения отдельных частиц. Шао объяснил, что в твердых материалах электроны могут вести себя иначе, чем в газообразном состоянии. Это открытие имеет значение для понимания квантовых взаимодействий и может привести к новым технологиям.

Чтобы получить данные о полудираковских фермионах, ученые использовали метод магнитооптической спектроскопии. Этот метод включает освещение материала инфракрасным светом и анализ отраженного света. Важно отметить, что эксперименты проводились в Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде, где создается самое мощное устойчивое магнитное поле в мире.

Команда охладила образец ZrSiS до -452 °F, что всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, и затем подвергла его воздействию мощного магнитного поля. В процессе эксперимента ученые изучали, как электроны реагируют на свет, и искали необычные сигналы, которые могли бы указывать на наличие полудираковских фермионов.

Когда магнитное поле применяется к материалу, энергетические уровни электронов квантуются в дискретные уровни, известные как уровни Ландау. Обычно эти уровни зависят от массы электронов и силы магнитного поля. Однако в случае ZrSiS исследователи заметили, что зависимости изменились. Это соответствовало тому, что теоретики назвали «законом мощности B 2/3», что стало ключевой сигнатурой полудираковских фермионов.

Для понимания наблюдаемого поведения команда объединила усилия с теоретиками, чтобы разработать модель, объясняющую электронную структуру ZrSiS. Они исследовали, как электроны могут терять свою массу в зависимости от направления движения.

Анализ показал, что полудираковские фермионы присутствуют в точках пересечения электронных путей. Они ведут себя как безмассовые частицы в одном направлении, но приобретают массу при движении в перпендикулярном направлении. ZrSiS, как слоистый материал, напоминает графит, что открывает возможности для создания новых технологий. Если удастся получить однослойные образцы ZrSiS, их свойства можно будет контролировать с высокой точностью, как у графена.

Несмотря на полученные результаты, Шао подчеркивает, что многие аспекты наблюдаемого поведения остаются неразгаданными. Ученые продолжают работать над тем, чтобы понять, как именно функционируют полудираковские фермионы и как их свойства могут быть использованы в новых технологиях. Это открытие может оказать влияние на развитие различных областей, включая электронику, энергетику и даже биомедицинские устройства.