Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii oraz Uniwersytetu Columbia po raz pierwszy zaobserwowali kwazicząstkę, zwaną pół-fermionem Diraca (ang. semi-Dirac fermion), która w jednym kierunku porusza się bezmasowo, a prostopadle do niego wyraźnie nabiera masy. Badacze od ponad dekady podejrzewali, że mogą one istnieć, jednak dopiero teraz udało się je zarejestrować. Wyniki, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Physical Review X, otwierają drzwi do dalszych eksperymentów i potencjalnych zastosowań w nanotechnologiach.
Nowe kwazicząstki o nietypowych właściwościach
Kwazicząstki nie są pojedynczymi, elementarnymi cząstkami, lecz zbiorowymi efektami oddziaływań wielu elektronów wewnątrz ciała stałego. W pewnych specyficznych warunkach mogą przybierać cechy, które nie występowałyby, gdybyśmy rozpatrywali elektrony w oderwaniu od materiału. Pół-fermion Diraca to właśnie taka egzotyczna, przewidywana teoretycznie struktura, o której mówiono już od 2008 roku.
Zobacz również:
Obserwacja takiego obiektu była dla badaczy niemałym zaskoczeniem. Nikt nie szukał pół-fermionów Diraca w tej konkretnej sytuacji, jednak dane wyraźnie wskazały, że wewnątrz kryształu zachodzą nietypowe procesy. „To było zupełnie nieoczekiwane” – przyznał prof. Yinming Shao z Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii, główny autor publikacji. W trakcie badań, zamiast pozornie normalnych widm, naukowcy dostrzegli dziwne sygnały wskazujące na istnienie kwazicząstek.
Foton, cząstka światła, jest masywny w sensie relatywistycznym tylko wtedy, gdyby poruszał się wolniej od prędkości światła, co jest niemożliwe. Stąd uznaje się go za nieposiadający masy w spoczynku. Z kolei elektrony, których masa jest niewielka, poruszają się na ogół znacznie wolniej. Odkryta kwazicząstka jest natomiast połączeniem cech obu tych cząstek, występujących w zależności od kierunku ruchu.
Jakie możliwości daje odkrycie?
Badacze stworzyli model struktury materiału, w którym zaobserwowano kwazicząstkę, starając się odtworzyć specyficzny układ „torów”, po których poruszają się kwazicząstki.
Okazuje się, że w miejscu przecięć tych torów elektron może nagle stracić masę w jednym kierunku ruchu, a w innym ją odzyskać. Ta właściwość sprawia, że materiał przypomina grafit o warstwowej budowie, z którego można mechanicznie izolować pojedyncze, ultracienkie arkusze, analogicznie do powstawania grafenu.
Skoro da się uzyskać ultracienką warstwę ZrSiS, można też potencjalnie kontrolować pożądane właściwości pół-fermionów Diraca z porównywalną precyzją, jak w przypadku grafenu. A zastosowań grafen ma już wiele - od baterii, przez superkondensatory, po ogniwa fotowoltaiczne i zaawansowane sensory.
Choć naukowcom udało się zaobserwować pół-fermiony Diraca, to część zjawisk wciąż pozostaje zagadką. Badacze nie potrafią jeszcze w pełni wytłumaczyć wszystkich efektów, które zaobserwowali. Otwiera to pole do kolejnych badań, które mogą ujawnić jeszcze bardziej niezwykłe własności tych kwazicząstek.
