Primele observații cu o cvasiparticulă care are masă doar atunci când se deplasează într-o anumită direcție

Cercetătorii au făcut prima observare a unei cvasiparticule care se comportă ca și cum ar avea masă atunci când se deplasează într-o direcție, dar devine fără masă atunci când se mișcă în unghi drept. Deși pare improbabilă, această descoperire a stârnit deja discuții despre posibile aplicații în baterii și senzori.

Prima observare a unei cvasiparticule care are masă doar atunci când se deplasează într-o anumită direcție. Fenomenul a fost prezis pentru prima dată în 2008-2009, când echipe independente de cercetători au propus existența fermionilor semi-Dirac, particule care prezintă masă doar într-o direcție. Acest concept contraintuitiv a fost acum confirmat experimental în interiorul unui cristal numit ZrSiS, un semimetal cu proprietăți electrice direcționale.

• Neutrinii ar putea fi cheia pentru studierea nucleului Soarelui
• Oamenii de știință au găsit 128 de sateliți noi în jurul lui Saturn

Majoritatea particulelor subatomice, precum electronii sau protonii, au masă, în timp ce altele, cum sunt fotonii, sunt lipsite de masă. Însă fermionii semi-Dirac sfidează această categorisire simplă: au masă într-o direcție, dar nu au în alta. Acest comportament unic este explicat prin fizica cvasiparticulelor, unde grupuri de particule se comportă colectiv ca un întreg cu proprietăți speciale.

Conform Relativității Speciale, obiectele care se deplasează la viteza luminii nu trebuie să aibă masă. Astfel, fermionii semi-Dirac oferă o cale fascinantă de a explora proprietăți fizice care transcend limitele particulelor individuale.

Prima observare a unei cvasiparticule cu masă doar într-o direcție a fost o descoperire neașteptată

Dr. Yinming Shao, de la Universitatea Penn State (SUA), a condus o echipă care analiza răspunsul optic al cristalului ZrSiS folosind spectroscopie magneto-optică. La temperaturi apropiate de zero absolut și sub un câmp magnetic extrem de puternic, cercetătorii au observat semnale care nu puteau fi explicate prin teoria convențională.

Mai exact, tranzițiile energetice din cristal au urmat o scalare proporțională cu câmpul magnetic ridicat la puterea de două treimi (B2/3B^{2/3}), o semnătură teoretică a fermionilor semi-Dirac. Aceasta contrastează cu comportamentele tipice observate la fermionii cu masă (B1B^1) sau fără masă (B1/2B^{1/2}).

Dr. Shao a explicat fenomenul printr-o analogie: „Imaginați-vă că particula este un tren mic pe o rețea de șine electronice. Pe unele șine, trenul se deplasează la viteza luminii, dar la intersecții este forțat să încetinească, dobândind masă. Comportamentul său depinde de direcția în care se deplasează.”

Această proprietate unică deschide noi posibilități pentru controlul cu precizie al caracteristicilor electronice ale cristalelor similare.

Posibile aplicații

ZrSiS are o structură stratificată asemănătoare grafitului, ceea ce ar putea permite crearea de foi de grosime atomică, în mod similar cu grafenul. Descoperirea fermionilor semi-Dirac în aceste straturi ar putea duce la tehnologii avansate în stocarea energiei, senzori ultra-sensibili sau noi materiale cu proprietăți electronice direcționale.

Deși există numeroase întrebări nerezolvate, Shao consideră că aceasta este partea cea mai captivantă: „Datele nu pot fi încă explicate complet. Există multe mistere pe care lucrăm să le înțelegem.”

Fermionii semi-Dirac reprezintă o descoperire remarcabilă, nu doar prin natura lor contraintuitivă, ci și prin potențialul lor de a revoluționa domenii tehnologice. Așa cum se întâmplă adesea în fizica cuantică, cele mai mari descoperiri apar atunci când cauți altceva, scrie IFL Science.

Studiul a fost publicat în Physical Review X.

Vă recomandăm să citiți și:

Dezvăluire: Cum a devenit un laborator al Marinei Americane un centru pentru experimentele cu radiații umane

Fizicienii au găsit un mod complet nou de măsurare a timpului

Cel mai rar mineral din lume este atât de rar încât a fost găsit doar o singură dată

Singurul reactor nuclear natural cunoscut de pe Pământ este vechi de 2 miliarde de ani