Квантовые взаимодействия электронов в составе материалов способны вызывать аномальные явления. Так, около 16 лет назад физики спрогнозировали появление полудираковских фермионов — квазичастиц, чья масса меняется в зависимости от направления их движения. И только сейчас, совершенно неожиданно, их удалось идентифицировать в слоистой структуре. Это открывает возможности для разработки новых материалов с исключительными оптическими характеристиками.
Ученые давно знакомы с существованием экзотических квазичастиц в квантовых материалах. Так, дираковские фермионы, ранее найденные в графене (одноатомном слое углерода), – квазичастицы (или, с точки зрения теоретической физики, решения уравнения Дирака), демонстрирующие поведение, схожее с безмассовыми или почти безмассовыми частицами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, послужили началом поисков других необычных состояний материи.
В частности, в 2008-2009 годах физики высказали предположение о возможности наблюдения полудираковских фермионов при определенных условиях. Эти частицы, по их мнению, могли бы демонстрировать безмассовое поведение при движении в одном направлении, а в перпендикулярном – приобретать массу. Практическая верификация этой гипотезы оказалась сложной задачей и до настоящего времени не была осуществлена.
Теперь авторы нового исследования, представленного в журнале Physical Review X, ученые обнаружили и зафиксировали эти явления в топологическом полуметалле цирконий-силицид-сульфиде (ZrSiS). Первоначально физики из Пенсильванского и Колумбийского университетов (США) исследовали оптические характеристики этого материала, но полученные результаты были настолько необычными, что потребовали переосмысления.
«Это оказалось совершенно неожиданным открытием. В процессе работы мы не планировали поиск полудираковских фермионов, однако в итоге получили первое экспериментальное подтверждение существования этих редких квазичастиц», — заявил ведущий автор исследования Иньмин Шао (Yinming Shao).
Для получения подробного представления о квантовых состояниях в материале ZrSiS (который, как и графен, может быть разделен на ультратонкие слои), группа ученых во главе с Шао использовала магнитно-оптическую спектроскопию. В рамках эксперимента образец был охлажден почти до абсолютного нуля и помещен в сильное магнитное поле, достигающее 900 тысяч раз больше земной. После этого на него был направлен инфракрасный свет.
Выяснилось, что при воздействии магнитного поля энергетические уровни электронов становятся дискретными, формируя так называемые уровни Ландау (наличие энергетических уровней заряженных частиц в магнитном поле является отличительной особенностью полудираковских фермионов, выражающейся в специфической зависимости переходов между уровнями Ландау от величины магнитного поля, подчиняющейся закону B^(2/3)).
В структуре ZrSiS формируются нодальные линии — сложные переплетения энергетических уровней в пространстве импульсов. Пересечение двух таких линий приводит к образованию особых точек с уникальной энергетической структурой, известных как дираковские точки. Это преобразует локальные электронные состояния в полудираковские фермионы: вдоль одной координаты энергетический спектр проявляется как линейный (безмассовый), а вдоль другой — как квадратичный (массивный).
Аналогично тому, как графен способен кардинально изменить электронику, это открытие открывает перспективы для разработки квантовых устройств нового поколения. В своей научной работе авторы подчеркнули, что полученные ими результаты представляют собой отправную точку для изучения взаимодействия этих квазичастиц. Будущие исследования позволят выяснить, как использовать полудираковские фермионы для создания принципиально новых электронных компонентов.