Ученые Университета штата Пенсильвания и Колумбийского университета впервые наблюдали уникальную квазичастицу, называемую полудираковским фермионом, внутри полуметаллического материала ZrSiS. Открытие опубликовано в журнале Physical Review X.
Полудираковские фермионы — это квазичастицы, которые ведут себя необычно: они не имеют массы при движении в одном направлении, но приобретают массу при движении в перпендикулярном направлении. Это поведение связано с уникальными свойствами электронных структур внутри материала. Концепция этих частиц была предсказана теоретически в 2008-2009 годах, но ранее их существование не подтверждалось экспериментально.
Исследование проводилось методом магнитооптической спектроскопии, который позволяет анализировать взаимодействие инфракрасного света с материалом в условиях сильного магнитного поля. Эксперименты проводились в Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде, где использовались мощные магниты и охлаждение образцов до экстремально низких температур.
© Yinming Shao / Penn State. Adapted from Physical Review X / phys.org
При воздействии сильного магнитного поля исследователи наблюдали необычные переходы уровней Ландау — энергетических состояний электронов. Обычно такие уровни изменяются дискретно в зависимости от массы электронов и напряженности поля, но в случае с ZrSiS был зафиксирован иной, ранее теоретически описанный, закон изменения уровней, что стало ключевым доказательством существования полудираковских фермионов.
Физики-теоретики и экспериментаторы разработали модель, объясняющую наблюдаемое поведение. Анализ показал, что в точках пересечения электронной структуры частицы могут терять массу, двигаясь в одном направлении, но приобретают ее при смене траектории на перпендикулярное направление. Материал ZrSiS, благодаря своей слоистой структуре напоминающей графен, обладает потенциалом для создания однослойных технологий.
Открытие открывает новые возможности для исследований свойств полудираковских фермионов и их применения в современных технологиях, таких как датчики, батареи и квантовые устройства. Однако некоторые аспекты поведения частиц пока остаются необъясненными.
