Взаимодействие электронов внутри материалов может порождать необычные явления. 16 лет назад физики предположили существование полудираковских фермионов — квазичастиц, масса которых меняется в зависимости от направления движения. Обнаружить их в многослойном материале удалось только сейчас случайно. Это открытие может способствовать созданию новых материалов с необычными оптическими свойствами.
В квантовых материалах существование экзотических квазичастиц давно известно ученым. Например, дираковские фермионы в графене — квазичастицы, или решения уравнения Дирака, ведут себя как безмассовые или почти безмассовые частицы с скоростями, близкими к скорости света. Это открытие стало отправной точкой для поиска других необычных состояний материи.
В 2008-2009 годах физики предположили возможность наблюдения полудираковских фермионов в особых условиях. При движении в одном направлении такие частицы будут вести себя как безмассовые, а в перпендикулярном — набирать массу. На практике их обнаружить сложно, и до сих пор это не удалось никому.
Теперь авторы нового исследования, представленного в журнале Physical Review XФизики из Пенсильванского и Колумбийского университетов зафиксировали необычные оптические свойства в топологическом полуметалле цирконий-силицид-сульфиде (ZrSiS).
Исследование оказалось полным сюрпризов. В поиске чего-то другого учёные обнаружили первый экспериментальный факт о существовании таких необычных квазичастиц, как полудираковские фермионы.
Для изучения квантовых состояний в ZrSiS (подобно графену, его можно разделять на тонкие слои) команда Шао применила магнитно-оптическую спектроскопию. Образец охлаждался до температуры, немного превышающей абсолютный нуль, и помещался в сильное магнитное поле (примерно в 900 тысяч раз сильнее земного). На образец направлялся инфракрасный свет.
При воздействии магнитного поля энергетические уровни электронов становятся дискретными. уровни ЛандауХарактерным признаком полудираковских фермионов является особенная зависимость переходов между уровнями Ландау от магнитного поля по закону B^(2/3).
Внутри ZrSiS образуются нодальные линии — сложные цепочки пересечений энергетических уровней в пространстве импульсов. Пересечение двух таких линий порождает особые точки с уникальной структурой энергии (дираковские точки), превращая локальные электронные состояния в полудираковские фермионы: вдоль одной координаты их энергетический спектр линейный, а вдоль другой — квадратичный.
Так же, как графен может изменить электронику, открытие способно привести к созданию новых квантовых устройств. Авторы работы подчеркнули, что результаты — первый шаг к пониманию взаимодействия этих квазичастиц. Дополнительные исследования помогут понять, как использовать полудираковские фермионы для создания принципиально новых компонентов электроники.