Исследователи при помощи «полуметаллического» материала обнаружили странные частицы, не обладающие массой при движении в одном направлении, но приобретающие массу при перенаправлении в перпендикулярном направлении.
Достигнуто это воздействием на материал экстремальных условий, а именно магнитного поля, превосходящего магнитное поле Земли более чем в десять миллионов раз. Эксперимент может открыть новые физические явления.
Фермионы Дирака (названные в честь математика и физика Поля Дирака и косвенно в честь физика Энрико Ферми) — частицы с полуцелым спином (1/2, 3/2, 5/2 и т. д.), которые отличаются от античастиц. В 2016 году исследователи выдвинули теорию о существовании особой категории фермионов, не имеющих массы в одном направлении, но становящихся массивными в направлении, перпендикулярном первоначальному.
Если представить движение в одном направлении с ощущением легкости, а затем поворот на 90° к востоку или западу с ощущением тяжести, это похоже на поведение «полудираковских фермионов». Эти квазичастицы, представляющие собой коллективное поведение группы частиц, сравнимое с одной частицей, вызывают большой интерес у экспериментаторов, но до сих пор остаются ненайденными.
Среди материалов, которые изучаются в поисках полудираковских фермионов, — полупроводники. Структура полосы проводимости и выраженные топологические характеристики позволяют им обладать особыми свойствами переноса частиц, что делает их 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.
Вначале для экспериментов планируется использовать материалы на основе графена, но результаты пока недостаточно убедительны. Полудираковские фермионы нуждаются в более сложной модели полупроводника, чем графен. Ученые из Университета штата Пенсильвания предлагают новый протокол эксперимента, который позволит впервые надежно обнаружить эту частицу.
Направление магнитного поля определяет массу.
В новом протоколе, подробно описанном в В материале, основе которого полуметалл на основе циркония, кремния и серы, при экстремальных условиях проявляются необычные свойства. Чтобы сгенерировать полудираковские фермионы, материал охладили до температуры, близкой к абсолютному нулю, и подвергли воздействию магнитного поля, сила которого превышала силу магнитного поля Земли более чем в 10 миллионов раз.
Эти условия позволяют манипулировать траекториями электронов внутри материала так, чтобы движение было не линейным, а по круговым спиральным траекториям. Структура материала и температура делают электроны чувствительными к квантовым эффектам. Это означает, что их поведение может быть волнообразным, усиливаясь при движении по траектории, что позволит генерировать полудираковские фермионы.
Команда облучала материал инфракрасными импульсами и анализировала отражение от присутствующих частиц, чтобы подтвердить, что созданные частицы являются полудираковскими фермионами. Менялась интенсивность магнитного поля и частота инфракрасного излучения, чтобы определить «отпечаток пальца» полудираковских фермионов. При направлении магнитного поля в ту же сторону, что и движение частиц, у них не было массы. В противоположном случае, при перпендикулярном направлении магнитного поля, частицы становились гораздо массивнее.
«Исследования раскрывают тайны квазичастиц, рождающихся из переплетенных путей в структуре, и демонстрируют возможности изучения квантовой геометрии с помощью отражений света. », — объясняют исследователи в своей статье.
Специалисты, не участвовавшие в исследовании, полагают, выделение полудираковских фермионов может быть затруднено из-за большого количества других частиц в используемом материале, которые также взаимодействуют с инфракрасным светом. Тем не менее, эксперимент открывает возможность изучения новых физических процессов: полудираковские фермионы можно рассматривать как гибриды обычных электронов и экзотических космических частиц, например, безмассовых нейтрино. Авторы исследования подчеркивают необходимость дополнительных исследований перед использованием этих частиц в будущих экспериментах.