Фермионы Дирака (названные в честь математика и физика Поля Дирака и косвенно в честь физика Энрико Ферми за фермионы) — это частицы с полуцелым спином (1/2, 3/2, 5/2 и т.д.), которые отличаются от своих античастиц. В 2016 году исследователи выдвинули теорию о существовании особой категории фермионов, которые не имеют массы в одном направлении, но становятся массивными в направлении, перпендикулярном первоначальному.
По аналогии, это можно сравнить с тем, как если бы вы шли в одном направлении и чувствовали себя очень легким, а затем, повернувшись на 90° к востоку или западу, вдруг ощутили бы себя очень массивным. Названные «полудираковскими фермионами», эти квазичастицы (коллективное поведение группы частиц, которые можно рассматривать как одну частицу) вызвали значительный экспериментальный интерес, но до сих пор так и не были обнаружены.
Среди материалов, которые исследуются для обнаружения полудираковских фермионов, — полуметаллы. Они обладают особыми свойствами переноса частиц благодаря структуре полосы проводимости и выраженным топологическим характеристикам, что делает их особенно интересными для применения в электронике. Например, низкая плотность состояний на уровне Ферми (которая описывает распределение электронов как функцию энергии) и линейно рассеянная электронная структура могут быть использованы для улучшения функциональности и энергоэффективности электронных компонентов.
Первыми материалами, которые планируется использовать, в основном являются материалы на основе графена, но результаты пока неубедительны. В частности, полудираковские фермионы требуют гораздо более сложной модели полуметалла, чем графен. Теперь команда из Университета штата Пенсильвания предлагает новый экспериментальный протокол, который впервые позволит надежно обнаружить частицу.
Масса определяется направлением магнитного поля
В новом протоколе, подробно описанном в , используется полуметалл на основе циркония, кремния и серы. Как и все металлические материалы, он проводит электричество, но проявляет необычные свойства при воздействии экстремальных условий. Чтобы сгенерировать полудираковские фермионы, исследователи охладили материал до температуры, близкой к абсолютному нулю, и подвергли его воздействию магнитного поля, более чем в 10 миллионов раз превышающего силу магнитного поля Земли.
Эти условия позволяют манипулировать траекторией электронов внутри материала, чтобы они двигались не линейно, а по круговым спиральным траекториям. Структура материала и температура означают, что электроны становятся чувствительными к квантовым эффектам. Это означает, что они могут вести себя как волны, усиливающиеся по мере движения по траектории, что позволит генерировать полудираковские фермионы.
Чтобы убедиться в том, что созданные частицы действительно являются полудираковскими фермионами, команда облучала материал инфракрасными импульсами и анализировала, как они отражались от присутствующих частиц. Интенсивность магнитного поля и частота инфракрасного излучения также менялись, чтобы определить «отпечаток пальца» полудираковских фермионов. Когда магнитное поле было направлено в ту же сторону, что и движущиеся частицы, казалось, что у них нет массы. С другой стороны, когда поле было направлено перпендикулярно частицам, они становились гораздо массивнее.
«Наша работа проливает свет на скрытые квазичастицы, возникающие из сложной топологии скрещенных узловых линий, и подчеркивает потенциал для изучения квантовой геометрии с помощью линейных оптических откликов», — объясняют исследователи в своей статье.
Однако специалисты, не участвовавшие в исследовании, считают, что выделить полудираковские фермионы в эксперименте может быть сложно, поскольку используемый материал содержит множество других частиц, которые также взаимодействуют с инфракрасным светом. Тем не менее, этот эксперимент открывает возможность изучения новых физических процессов, поскольку полудираковские фермионы можно рассматривать как гибриды между обычными электронами и экзотическими космическими частицами, такими как безмассовые нейтрино. Однако авторы исследования отмечают, что необходимы дополнительные исследования, прежде чем эти частицы можно будет использовать в будущих экспериментах.