Вчені випадково виявили частинку, яка має масу, коли рухається в одному напрямку, але не має маси, коли рухається в іншому напрямку. Частинки з такою дивною поведінкою, відомі як напівдираківські ферміони, були вперше передбачені 16 років тому.
Команда, очолювана вченими з Пенсильванського університету та Колумбійського університету, опублікувала своє відкриття в журналі Physical Review X.
Відкриття було зроблено в напівметалевому матеріалі ZrSiS, що складається з цирконію, кремнію та сірки, при вивченні властивостей квазічастинок. Вони виникають у результаті колективної поведінки багатьох частинок у твердому матеріалі.
"Це було зовсім несподівано", — сказав Іньмін Шао, провідний автор дослідження. «Ми навіть не шукали напівдираківські ферміони, коли почали працювати з цим матеріалом, але ми бачили сигнатури, які ми не розуміли, — і виявилося, що ми зробили перше спостереження цих диких квазічастинок, які іноді рухаються так, ніби вони мають масу, а іноді — начебто у них її немає».
Це звучить як неможливий трюк — як щось може легко набирати та втрачати масу? Але насправді все це повертається до тієї класичної формули, яку всі чули, але багато хто не розуміє — E = mc2. Вона описує зв'язок між енергією частинки (E) та масою (m) зі швидкістю світла (c) у квадраті.
Відповідно до спеціальної теорії відносності Айнштайна, ніщо, що має масу, не може досягти швидкості світла, тому що для розгону до цієї швидкості знадобилася б нескінченна кількість енергії. Але кумедна річ відбувається, коли ви перевертаєте це з ніг на голову – якщо безмасова частка сповільнюється зі швидкості світла, вона насправді набирає масу.
І ось, що тут відбувається. Коли квазічастинки рухаються вздовж одного виміру всередині кристалів ZrSiS, вони роблять це зі швидкістю світла і, отже, не мають маси. Але тільки-но вони намагаються рухатися в іншому напрямку, вони стикаються з опором, сповільнюються і набирають масу.
"Уявіть, що частинка — це крихітний поїзд, укладений у мережу доріжок, які є базовою електронною структурою матеріалу", — сказав Шао. «Тепер у певних точках треки перетинаються, тому наш поїзд частинок рухається своєю швидкою траєкторією зі швидкістю світла, але потім він потрапляє на перетин і має перейти на перпендикулярну траєкторію. Несподівано він відчуває опір, у нього є маса. Частинки або повністю складаються з енергії, або мають масу залежно від напрямку їх руху по "трекам" матеріалу».
Спочатку дослідники мали намір вивчати квантові взаємодії у матеріалі, спостерігаючи, як електрони у ньому реагують на світло. Вони виявили, що рівень енергії електронів слідує несподіваній закономірності в міру збільшення сили магнітного поля, що виявилося ключовим передбаченням напівдираківських ферміонів.
Хоча це досить концептуальна фізика, команда каже, що відкриття може зрештою відкрити низку додатків для ZrSiS, подібних до графену.
"Це шаруватий матеріал, а це означає, що як тільки ми зможемо зрозуміти, як зробити одношаровий зріз цієї сполуки, ми зможемо використати силу напівдираківських ферміонів, контролювати його властивості з тією ж точністю, що й у графену", — сказав Шао. «Але захоплива частина цього експерименту полягає в тому, що дані поки що не можуть бути повністю пояснені. У тому, що ми спостерігали, є багато нерозгаданих таємниць, тому ми працюємо над тим, щоб зрозуміти це».
Джерела: The Pennsylvania State University
