Ученые случайно обнаружили частицу, которая обладает массой, когда движется в одном направлении, но не имеет массы, когда движется в другом направлении. Частицы с таким странным поведением, известные как полудираковские фермионы, были впервые предсказаны 16 лет назад.
Открытие было сделано при изучении свойств квазичастиц в полуметаллическом материале под названием ZrSiS, состоящем из циркония, кремния и серы. Они возникают в результате коллективного поведения множества частиц внутри твердого материала.
“Это было совершенно неожиданно”, - сказал Инмин Шао, ведущий автор исследования. “Мы даже не искали полудираковские фермионы, когда начинали работать с этим материалом, но мы видели признаки, которые не понимали - и оказалось, что мы впервые наблюдали эти дикие квазичастицы, которые иногда движутся так, как будто у них есть масса, а иногда движутся так, как будто у них ее нет”.
Это звучит как невероятный подвиг – как что-то может легко набирать и терять массу? Но на самом деле все сводится к классической формуле, о которой все слышали, но многие, возможно, не понимают – E = mc2. Это описывает соотношение между энергией (E) и массой (m) частицы и скоростью света (c) в квадрате.
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, ничто, обладающее какой-либо массой, не может достичь скорости света, потому что для ее ускорения до такой скорости потребовалось бы бесконечное количество энергии. Но если перевернуть все с ног на голову, то произойдет забавная вещь: если безмассовая частица замедляется по сравнению со скоростью света, она на самом деле набирает массу.
Именно это здесь и происходит. Когда квазичастицы перемещаются в одном измерении внутри кристаллов ZRISIS, они делают это со скоростью света и, следовательно, не имеют массы. Но как только они пытаются двигаться в другом направлении, они наталкиваются на сопротивление, замедляются и набирают массу.
“Представьте, что частица - это крошечный поезд, ограниченный сетью путей, которые лежат в основе электронной структуры материала”, - сказал Шао. “Итак, в определенных точках траектории пересекаются, так что наш поезд частиц движется по своей ускоренной траектории со скоростью света, но затем он попадает на перекресток и должен переключиться на перпендикулярную траекторию. Внезапно он испытывает сопротивление, у него появляется масса. Частицы либо полностью поглощают энергию, либо обладают массой, в зависимости от направления их движения по "дорожкам" материала.”
Первоначально исследователи намеревались изучить квантовые взаимодействия в материале, наблюдая за тем, как электроны в нем реагируют на свет. Они обнаружили, что уровень энергии электронов меняется неожиданным образом по мере увеличения напряженности магнитного поля, что оказалось ключевым предсказанием полудираковских фермионов.
Несмотря на то, что это довольно концептуальная физика, команда говорит, что открытие может в конечном итоге открыть целый ряд применений для ZRSI, аналогичных применению графена.
“Это слоистый материал, а это значит, что как только мы сможем понять, как вырезать один слой из этого соединения, мы сможем использовать мощь полудираковских фермионов и управлять его свойствами с той же точностью, что и у графена”, - сказал Шао. “Но самая захватывающая часть этого эксперимента заключается в том, что данные пока не могут быть полностью объяснены. В том, что мы наблюдали, есть много неразгаданных тайн, и именно над этим мы работаем, чтобы понять”.
