Międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez badaczy z Uniwersytetu Stanu Pensylwania i Uniwersytetu Columbia, dokonał pierwszej bezpośredniej obserwacji tzw. fermionów semi-Diracowskich. Są to egzotyczne, quasi-cząstkowe obiekty, które w jednym kierunku poruszają się jak cząstki bezmasowe (tak jak fotony), natomiast w kierunku prostopadłym zachowują się jak cząstki posiadające masę. Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie Physical Review X, otwierają nowe możliwości w dziedzinie inżynierii materiałowej, a w konsekwencji mogą wpłynąć na rozwój nowoczesnych technologii, takich jak zaawansowane baterie, sensory czy komponenty elektroniczne nowej generacji.
Teoretyczne podstawy i pierwsze eksperymentalne obserwacje
Idea istnienia fermionów semi-Diracowskich została po raz pierwszy sformułowana przez teoretyków w latach 2008–2009. Przewidywano wtedy, że w pewnych materiałach krystalicznych, w zależności od kierunku ruchu elektronów, kwasi-cząstki mogą przechodzić między stanem pozbawionym masy (poruszając się z prędkością zbliżoną do prędkości światła) a stanem, w którym nabierają masy. Dotychczas jednak nikt nie zaobserwował tych osobliwych własności w warunkach eksperymentalnych.
Przełom nastąpił dzięki badaniom kryształów ZrSiS (cyrkon-krzem-siarka). Ten półmetaliczny materiał charakteryzuje się specyficzną strukturą elektroniczną, w której możliwe jest powstawanie różnorodnych stanów kwazicząstkowych. Naukowcy zastosowali metodę magneto-optycznej spektroskopii w silnym polu magnetycznym, aby precyzyjnie zarejestrować kwantowe interakcje elektronów wewnątrz próbki.
Metodyka eksperymentu i kluczowe odkrycia
Próbka ZrSiS została schłodzona do temperatury około 4,26 K (-269°C), a następnie umieszczona w najsilniejszym stabilnym polu magnetycznym na świecie, generowanym w National High Magnetic Field Laboratory na Florydzie. Pole to, około 900 tysięcy razy silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi, pozwoliło na uzyskanie wyraźnej kwantyzacji poziomów energetycznych elektronów.
Na próbkę oddziaływano światłem w zakresie podczerwieni, rejestrując odbite promieniowanie i analizując powstałe tzw. poziomy Landaua – dyskretne stany energetyczne, do których elektrony przechodzą pod wpływem silnego pola magnetycznego. Zgodnie ze standardowymi przewidywaniami, odległości między poziomami Landaua zależą od masy efektywnej elektronów. Okazało się jednak, że uzyskany wzorzec kwantyzacji nie pasował do typowego scenariusza. Zamiast klasycznej zależności energii poziomów od pola magnetycznego, naukowcy zaobserwowali zależność zgodną z tzw. prawem B^(2/3), co stanowiło charakterystyczny „podpis” istnienia semi-Diracowskich fermionów.
Wyjaśnienie tego fenomenu wymagało połączenia sił doświadczalnych i teoretycznych fizyków. Zaproponowali oni model, w którym zachowanie quasi-cząstek można wyobrazić sobie jako ruch elektronów po sieci tzw. „ścieżek” elektronicznych w krysztale. Wzdłuż jednej z nich cząstki poruszają się jak bezmasowe, niemal świetlne „pociągi” na torze bez oporu. Jednak gdy trafiają na skrzyżowanie i zmieniają kierunek na prostopadły, pojawia się opór – w tym kierunku elektrony wykazują właściwości cząstek o masie.
Znaczenie odkrycia i przyszłe perspektywy
Materiał ZrSiS, podobnie jak grafit i grafen, zbudowany jest z warstw, co budzi nadzieję na jego inżynieryjne „rozwarstwienie” i kontrolę właściwości w nanoskali. Wykorzystanie fermionów semi-Diracowskich może w przyszłości umożliwić tworzenie materiałów o programowalnych cechach elektronicznych oraz projektowanie urządzeń o zwiększonej wydajności i nowych funkcjonalnościach.
Choć samo odkrycie potwierdza teoretyczne przewidywania sprzed ponad dekady, wciąż pozostaje wiele pytań, na które naukowcy nie znaleźli odpowiedzi. Wyjaśnienie wszystkich obserwowanych zjawisk w ZrSiS i pełne zrozumienie dynamiki semi-Diracowskich fermionów stanowi obecnie obiecujący kierunek dalszych badań. W miarę postępu prac możemy oczekiwać, że poznanie tych nietypowych stanów kwazicząstkowych zaowocuje nowymi rozwiązaniami w elektronice kwantowej oraz innych dziedzinach nowoczesnej technologii.
[1] Tłumaczenie na podstawie: https://phys.org/news/2024-12-particle-mass.html
[2] Publikacja naukowa „Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal”: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.041057
