W dziedzinie fizyki cząstki mogą czasami zachowywać się tak, jakby nie miały masy. Dzieje się tak, gdy ich energia pochodzi wyłącznie z ich ruchu, co w efekcie czyni je czystą energią poruszającą się z prędkością światła. Taką cząstką jest foton, podstawowa cząstka światła. Foton z definicji nie ma masy, a tym samym porusza się ze stałą prędkością.
Zgodnie ze szczególną teorią względności Einsteina nic, co porusza się z prędkością światła, nie może posiadać masy. Jednak w materiałach stałych zbiorowe zachowanie wielu cząstek może prowadzić do powstania „kwazicząstek”, które wykazują odmienne właściwości. Te kwazicząstki mogą zachowywać się tak, jakby miały masę tylko w jednym kierunku, a w innym jakby jej nie miały.
Czytaj także: Nowe cząstki elementarne czają się wszędzie wokół nas. Naukowcy znajdują zaskakujące wskazówki
Półfermiony Diraca, szczególny rodzaj kwazicząstek, zostały po raz pierwszy teoretycznie opisane pod koniec pierwszej dekady XXI wieku. Przewidywano, że cząstki te mają masę, która zmienia się w zależności od kierunku ruchu – są bezmasowe w jednym kierunku i masywne w innym. Ta wyjątkowa właściwość odróżnia je od innych cząstek i intryguje naukowców od lat.
Teraz przez przypadek zespół badaczy w końcu potwierdził istnienie półfermionów Diraca. Naukowcy z Penn State University natknęli się na owe ulotne dotąd cząstki podczas badania półmetalicznego kryształu zwanego krzemkiem cyrkonu (ZrSiS).
Za pomocą spektroskopii magnetooptycznej naukowcy badali właściwości ZrSiS w silnym polu magnetycznym. W skrócie badacze oświetlają wiązką promieniowania podczerwonego kryształ znajdujący się w silnym polu magnetycznym, a następnie analizują światło odbite. To właśnie na tym etapie badacze ze zdumieniem odkryli niezwykłe zachowanie wskazujące na obecność półfermionów Diraca.
Do przeprowadzenia eksperymentu naukowcy wykorzystali hybrydowy magnes zdolny wygenerować pole magnetyczne 900 000 razy silniejsze od pola magnetycznego Ziemi. To właśnie połączenie magnesu i właściwości ZrSiS pozwoliło dostrzec oznaki obecności półfermionów Diraca.
Czytaj także: Nowe odkrycia w fizyce cząstek elementarnych z polskim akcentem
Badacze ustalili, że elektrony w ZrSiS tracą masę, poruszając się w jednym określonym kierunku, ale zyskują masę, poruszając się prostopadle do niego. To niezwykłe zachowanie przypisuje się strukturze elektronicznej materiału, która tworzy ścieżki, na których elektrony zachowują się jak cząstki bezmasowe.
Warstwowa struktura ZrSiS, podobna do grafitu i grafenu, przyczynia się do tych unikalnych właściwości. Już teraz naukowcy podejrzewają, że dalsze badania nad tymi cząstkami pozwolą na znaczący postęp rozwoju szerokiej palety produktów, od akumulatorów, po urządzenia biomedyczne.
Odkrycie półfermionów Diraca to jednak także duży krok w rozwoju naszej wiedzy o świecie kwantowym. Te mikroskopijne cząstki mogą nas doprowadzić do rozwoju rewolucyjnych technologii, na jakie świat czeka od dziesięcioleci.