Naučnici su napravili zadovoljavajuće i intrigantno otkriće u fizici nekih 16 godina nakon što je prvi put predviđeno da postoji mogućnost: kvazičestica (grupa čestica koje se ponašaju kao jedna) koja ima efektivnu masu samo kada se kreće u jednom pravcu.
U fizici, masa se generalno odnosi na svojstvo čestica koje se odnosi na stvari poput njihove energije i otpora na kretanje. Ipak, nije svaka masa izgrađena isto – neke opisuju energiju čestice u mirovanju, na primer, dok masa može uzeti u obzir i energiju kretanja čestice.
U ovom slučaju, efektivna masa opisuje odgovor kvazičestice na sile, koji varira u zavisnosti od toga da li je kretanje kroz materijal gore-dole, ili napred-nazad.
Dok regularne kvazičestice imaju istu masu bez obzira na smer njihovog kretanja, polu-Dirakov fermion (da mu damo njegovo tehničko ime) koji se ovde proučava, izgleda da ne igra po normalnim pravilima.
To je otkriće koje bi moglo da napravi fundamentalnu razliku u oblastima kao što su kvantna fizika i elektronski senzori.
Novu kvazičesticu je otkrio međunarodni tim naučnika unutar ZrSiS polumetalnog kristala, ohlađenog na -452 stepena Farenhajta (ili -269 stepeni Celzijusa) – ekstremni set uslova za izuzetno retku kvazičesticu.
Čestice se generalno mogu opisati kao bozoni ili fermioni, u zavisnosti od mere osobine koja se zove spin. Dirakovi fermioni – u tipičnom i kvazičestičnom obliku – imaju svojstva koja dolaze u suprotnim oblicima čestica i antičestica.
Ovaj polu-Dirakov fermion detaljno opisan u novoj studiji je čudna zver stvari koja je do sada postojala samo u teoriji, radeći pod veoma različitim smernicama energije u okomitim pravcima.
„Ovo je bilo potpuno neočekivano“, kaže fizičar kondenzovane materije Jinming Šao sa Državnog univerziteta Pensilvanije. „Nismo čak ni tražili polu-Dirakov fermion kada smo počeli da radimo sa ovim materijalom, ali smo videli potpise koje nismo razumeli.“
„Ispostavilo se da smo napravili prvo posmatranje ovih divljih kvazičestica koje se ponekad kreću kao da imaju masu, a ponekad se kreću kao da je nemaju.“
Istraživači su koristili metod naučne analize poznat kao magneto-optička spektroskopija kada su došli do otkrića. Tu se materijali proučavaju putem refleksije infracrvene svetlosti koju emituju, pod uticajem jakog magnetnog polja.
I mislimo jako: nekih 900.000 puta jače od Zemljinog magnetnog polja, zahvaljujući Nacionalnoj laboratoriji za visoko magnetno polje na Floridi. Ovo su egzotični uslovi koje naučnici koriste za proučavanje najređih interakcija na najmanjim razmerama.
Odatle je posmatrana i identifikovana aktivnost polu-Dirakova fermiona, uz pomoć nekog numeričkog modeliranja: bez mase u jednom pravcu (sa svom svojom energijom opisanom njegovim kretanjem), ali sa efektivnom masom u drugom. Na sreću za nefizičare, istraživači pružaju analogiju.
„Zamislite da je čestica mali voz ograničen na mrežu koloseka, koje su osnovna elektronska struktura materijala“, kaže Šao.
„Sada se u određenim tačkama koloseci ukrštaju, tako da se naš voz čestica kreće svojom brzom prugom, brzinom svetlosti, ali onda naiđe na raskrsnicu i treba da se prebaci na okomitu stazu.
„Odjednom, doživljava otpor, ima masu. Čestice su ili sve energije ili imaju masu u zavisnosti od smera njihovog kretanja duž ‘traga’ materijala.“
To je značajan momenat u fizici, uključujući i one koji su prvi postavili hipotezu o fenomenu još 2008. Ipak, ovde ima još mnogo toga da se istraži – uključujući otkrivanje kako da izvučemo pojedinačne slojeve iz višeslojnog kristala ZrSiS – pre nego što počnemo da razmišljamo o tome njegove pune implikacije i svaku praktičnu upotrebu.
„Najuzbudljiviji deo ovog eksperimenta je to što se podaci još ne mogu u potpunosti objasniti“, kaže Šao.
„Postoje mnoge nerešene misterije u onome što smo primetili, tako da to je ono što radimo na tome da razumemo.
