Физики нашли частицу, которая имеет массу только при движении в одном направлении
Ученые сделали удовлетворительное и интригующее физическое открытие примерно через 16 лет после того, как его возможность впервые была предсказана: квазичастица (группа частиц, ведущих себя как одна), которая имеет эффективную массу только при движении в одном направлении. p>
В физике масса обычно относится к свойству частиц, которое связано с такими вещами, как их энергия и сопротивление движению. Однако не все массы устроены одинаково: некоторые описывают, например, энергию покоящейся частицы, тогда как масса может также учитывать энергию движения частицы.
В этом случае эффективная масса описывает реакцию квазичастицы на силы, которая меняется в зависимости от того, происходит ли движение через материал вверх и вниз или вперед и назад.
В то время как обычные квазичастицы имеют одинаковую массу независимо от направления их движения, изучаемый полудираковский фермион (таково его техническое название) здесь, похоже, не действуют обычные правила.
Это открытие может иметь фундаментальное значение в таких областях, как квантовая физика и электронные датчики.
Новая квазичастица была обнаружена международной командой учёных внутри полуфабриката ZrSiS. -металлический кристалл, охлажденный до -452 градусов по Фаренгейту (или -269 градусов по Цельсию) – экстремальный набор условий для чрезвычайно редкой квазичастицы.
Частицы обычно можно описывать как бозоны или фермионы, в зависимости от меры свойства, называемого спином. Фермионы Дирака – как в типичной, так и в квазичастичной форме – обладают свойствами, которые проявляются в противоположных формах частицы и античастицы.
Этот полудираковский фермион, подробно описанный в новом исследовании, представляет собой странную штуку, которая до сих пор существовала только теоретически и действует под совершенно другими принципами энергии в перпендикулярных направлениях.
«Это было совершенно неожиданно», — говорит физик конденсированного состояния Иньмин Шао из Университета штата Пенсильвания. «Когда мы начали работать с этим материалом, мы даже не искали фермион полудираковского типа, но мы видели сигнатуры, которые мы не понимали».
«Оказывается, мы впервые наблюдали эти дикие квазичастицы, которые иногда движутся так, как будто у них есть масса, а иногда движутся так, как будто у них ее нет.»
Когда исследователи сделали это открытие, они использовали метод научного анализа, известный как магнитооптическая спектроскопия. Здесь материалы изучаются посредством отражения инфракрасного света, который они излучают под воздействием сильного магнитного поля.
И мы действительно имеем в виду сильное: примерно в 900 000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли, любезно предоставлено Национальной лабораторией сильных магнитных полей во Флориде. Это экзотические условия, которые ученые используют для изучения редчайших взаимодействий в мельчайших масштабах.
Оттуда С помощью некоторого численного моделирования была обнаружена и идентифицирована полудираковская фермионная активность: она безмассовая в одном направлении (со всей своей энергией, описываемой его движением), но имеющая эффективную массу в другом. К счастью для нефизиков, исследователи приводят аналогию.
«Представьте, что частица представляет собой крошечный поезд ограничивается сетью дорожек, которые представляют собой основную электронную структуру материала», — говорит Шао.
«Теперь , в определенные моменты дорожки пересекаются, поэтому наш поезд частиц движется по своей быстрой траектории со скоростью света, но затем он достигает пересечения и ему необходимо переключиться на перпендикулярную траекторию.
«Внезапно он испытывает сопротивление, у него появляется масса. Частицы либо полностью состоят из энергии, либо имеют массу в зависимости от направления их движения по «путям» материала.»
Это примечательный момент в физике, в том числе для тех, кто впервые выдвинул гипотезу об этом явлении еще в 2008 году. Однако здесь еще многое предстоит изучить, в том числе выяснить, как извлечь отдельные слои из многослойного кристалла ZrSiS. прежде чем мы сможем начать думать о его полном значении и практическом использовании.
«Самая захватывающая часть этого Эксперимент заключается в том, что данные пока невозможно полностью объяснить», — говорит Шао.
«Есть много неразгаданных тайн в том, что мы наблюдали, и это то, что мы работают над пониманием.»
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review X.
