Квазичастица приобретает или теряет массу в зависимости от направления своего движения. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X.
Ученые случайно заметили необычное явление во время исследования полуметаллического материала, состоящего из циркония, кремния и серы. Они планировали изучать квантовые взаимодействия и поведение электронов, но вместо этого столкнулась с феноменом, который ранее был только теоретической концепцией — полудираковскими фермионами. Существование подобных квазичастиц предсказали еще 16 лет назад, но наблюдать их до сих пор не удавалось.
Механизм этого явления связан с классической формулой Эйнштейна E = mc², которая описывает взаимосвязь между энергией и массой. Когда квазичастицы движутся в одном измерении внутри кристаллической структуры материала, они перемещаются со скоростью света и не имеют массы. Однако при попытке двигаться в перпендикулярном направлении частицы встречают сопротивление, замедляются и приобретают массу.
Физики сделали открытие изучая ZrSiS с помощью магнитооптической спектроскопии. Они помещали материал в сильное магнитное поле, освещали его инфракрасным светом и анализировали отраженное излучение. В ходе эксперимента ученые фиксировали изменения энергетических уровней электронов при увеличении магнитного поля.
При анализе данных ученые обнаружили неожиданную закономерность в поведении электронов: уровень их энергии следовал особой траектории, которая полностью совпадала с теоретическими предсказаниями существования полудираковских фермионов. «Мы даже не искали квазичастицы, когда начали работу с материалом. Но увидели сигнатуры, которые не могли сразу объяснить», — рассказывает соавтор исследования Иньмин Шао.
Визуализация экспериментов, в которых наблюдали полудираковские фермионы
Для подтверждения наблюдений исследователи провели серию дополнительных измерений и математических расчетов. Они буквально реконструировали движение квазичастиц внутри кристаллической решетки. Шао сравнил это с движением крошечного поезда по сложной сети железнодорожных путей, где на определенных участках частица неожиданно меняет физические свойства.
Исследователи считают, что свойства материала могут стать основой для будущих достижений в ряде новых технологий. Они отмечают, что ZrSiS напоминает графит, слои которого можно разделить, чтобы получить однослойный графен. Физики считают, что после детального изучения материала они смогут контролировать свойства материала с высочайшей точностью.
