Vědci náhodou objevili částici, která má hmotnost, když se pohybuje jedním směrem, ale žádný hmotnost při cestování jiným směrem. Částice s tímto bizarním chováním, známé jako semi-Diracovy fermiony, byly poprvé předpovězeny před 16 lety.
Objev byl učiněn v polokovovém materiálu zvaném ZrSiS, který se skládá ze zirkonia, křemíku a síry, při studiu vlastností kvazičástic. Ty vycházejí ze společného chování mnoha částic v pevném materiálu.
„Bylo to naprosto neočekávané,“ řekl Yinming Shao, hlavní autor studie. „Když jsme s tímto materiálem začali pracovat, ani jsme nehledali semi-Diracův fermion, ale viděli jsme signatury, kterým jsme nerozuměli – a ukázalo se, že jsme poprvé pozorovali tyto divoké kvazičástice, které se někdy pohybují jako mají hmotnost a někdy se pohybují, jako by žádnou neměli.“
Zní to jako nemožný výkon – jak může něco snadno získat a ztratit hmotu? Ale ve skutečnosti se vrací ke klasickému vzorci, o kterém každý slyšel, ale mnozí mu nemusí rozumět – E = mc2. Toto popisuje vztah mezi energií částice (E) a hmotností (m) s rychlostí světla (c) na druhou.
Podle Einsteinovy teorie speciální relativity nemůže nic, co má nějakou hmotnost, dosáhnout rychlosti světla, protože k urychlení na tuto rychlost by bylo potřeba nekonečné množství energie. Ale stane se legrační věc, když ji přehodíte na hlavu – pokud se bezhmotná částice zpomalí z rychlosti světla, ve skutečnosti nabere hmotnost.
A to se tady děje. Když se kvazičástice pohybují podél jedné dimenze uvnitř krystalů ZrSiS, dělají to rychlostí světla a jsou proto bez hmoty. Ale jakmile se pokusí cestovat jiným směrem, narazí na odpor, zpomalí a naberou na hmotnosti.
„Představte si, že částice je malý vlak omezený na síť kolejí, které jsou základní elektronickou strukturou materiálu,“ řekl Shao. „Nyní se v určitých bodech dráhy protínají, takže náš vlak částic se pohybuje po své rychlé dráze rychlostí světla, ale pak narazí na křižovatku a potřebuje přejít na kolmou dráhu.“ Najednou zažívá odpor, má hmotu. Částice mají buď veškerou energii, nebo mají hmotnost v závislosti na směru jejich pohybu podél ‚drážek‘ materiálu.
Vědci se původně rozhodli studovat kvantové interakce v materiálu sledováním toho, jak elektrony v něm reagují na světlo. Zjistili, že energetická hladina elektronů sledovala neočekávaný vzor, jak se síla magnetického pole zvyšuje, což se ukázalo jako klíčová předpověď semi-Diracových fermionů.
I když se jedná o fyziku s vysokým konceptem, tým říká, že objev by mohl nakonec otevřít řadu aplikací pro ZrSiS podobných aplikacím grafenu.
„Je to vrstvený materiál, což znamená, že jakmile zjistíme, jak vyrobit jednu vrstvu této sloučeniny, můžeme využít sílu semi-Diracových fermionů a ovládat jejich vlastnosti se stejnou přesností jako grafen,“ řekl Shao. „Nejnapínavější částí tohoto experimentu je ale to, že data zatím nelze plně vysvětlit.“ V tom, co jsme pozorovali, je mnoho nevyřešených záhad, takže se to snažíme pochopit.“
Výzkum byl publikován v časopise Fyzický přehled X.
Zdroj: Penn State
Čerpáme z těchto zdrojů: google.com, science.org, newatlas.com, wired.com, pixabay.com
