Kvázirészecskék: Megfigyeltek egy részecskét, aminek hol van tömege, hol nincs

A világ legnagyobb és legerősebb mágnes laboratóriuma. Itt végezték a kvázirészecskékkel a kísérleteket.

Először sikerült a tudósoknak megfigyelniük olyan kvázirészecskét, aminek nincsen tömege, amikor az egyik irányba halad, de van, amikor a másik irányba. A fél-Dirac fermion nevű részecske először 16 évvel ezelőtt merült fel elméletben, de csak nemrégiben észlelték egy félfém anyag, a cirkónium-szilícium-szulfid (ZrSiS) kristályában. A kvázirészecskék megfigyelése egy sor technológiai fejlesztésre nyit ajtót az akkumulátoroktól a szenzorokig.

A Pennsylvaniai Állami Egyetem és a Kolumbiai Egyetem tudósai által vezetett csapat a Physical Review X magazinban publikálta felfedezését nemrégiben. Yinming Shai a Pennsylvaniai Állami Egyetem fizikusa, a tanulmány vezető szerzője azt nyilatkozta, a hogy a megfigyelés teljesen váratlan volt. Még csak nem is keresték a fél-Dirac fermiont, amikor elkezdtek dolgozni ezzel az anyaggal, de olyan jeleket láttak, amiket nem értettek, és kiderült, hogy ők figyelték meg első ízben ezeket a vad kvázirészecskéket, amik van, hogy úgy mozognak, hogy van tömegük, van, hogy úgy, hogy nincs tömegük. 

A világ legnagyobb és legerősebb mágnes laboratóriuma. Itt végezték a kvázirészecskékkel a kísérleteket.
Fotó: Nagy Mágneses Tér Nemzeti Laboratórium

 

 

 

 

Sok a megoldatlan rejtély a kvázirészecskék körül

 

Egy részecskének akkor nincsen tömege, amikor energiája teljesen a mozgásából származik, ami azt jelenti, hogy lényegében fénysebességgel haladó puszta energia. Például egy fotonnak nincsen tömege, mert fénysebességgel mozog. Albert Einstein speciális relativitáselmélete szerint semmi olyannak, ami fénysebességgel halad, nem lehet tömege.

A szilárd anyagokban, a sok kvázirészecske kollektív viselkedése eltér az egyes részecskék viselkedésétől, ami ebben az esetben olyan részecskéket hozott létre, amiknek csak az egyik irányban van tömegük.

A fél-Dirac fermionok először 2008-ban és 2009-ben merültek fel számos kutatócsoportnál. A teoretikusok azt jelezték előre, hogy lehetnek kvázirészecskék, amiknek változik a tömegük attól függően, hogy milyen irányban haladnak – az egyik irányban haladva nincsen tömegük, de van tömegük, mikor egy másik irányban haladnak. 16 évvel később Shao és kollégái mágnes-optikai színképelemzéssel véletlenül megfigyelték a hipotetikus kvázirészecskéket. A mágnes-optikai színképelemzés során az erős mágneses mezőnek kitett anyagot infravörös vénnyel világítják meg, és elemzik az anyagról visszaverődött fényt.

Shao és kollégái a ZrSiS ezüst színű kristályaiban lévő kvázirészecskék tulajdonságait akarták megfigyelni. A kísérleteket Floridában, a Nagy Mágneses Tér Nemzeti Laboratóriumban (National High Magnetic Field Laboratory) végezték. 

 

A labor hibrid mágnese hozza létre a legerősebb hosszan tartó mágneses mezőt a világon, ami körülbelül 900.000-szer erősebb, mint a Föld mágneses mezeje. A mező olyan erős, hogy képes felemelni kis tárgyakat, például vízcseppeket.

 

A kutatók egy ZrSiS darabot lehűtöttek -452 Fahrenheit-fokra - ami csak néhány fokkal magasabb az abszolút nulla foknál, a lehetséges legalacsonyabb hőmérsékletnél –, aztán kitették a labor erős mágneses mezejének, miközben infravörös fénnyel világították meg, hogy megnézzék mi derül ki az anyagban lévő kvantum interakciókról. Az optikai reakciót tanulmányozták, azt, hogy az anyagban lévő elektronok hogyan reagálnak a fényre, aztán a fény jeleit tanulmányozták, hogy van-e valami érdekes magával az anyaggal, az alapjául szolgáló fizikával. Ebben az esetben sok olyan tulajdonságot láttak, amire egy félfém kristálynál számítottak, aztán nagyon rejtélyes dolgok történtek.

Amikor mágneses mezőt alkalmaznak egy anyagra, az anyagban lévő elektronok energiaszintje diszkrét szintekre, úgynevezett Landau-szintekre kvantálódik. A szinteknek csak fix értékük lehet, mint amikor felmegyünk egy lépcsősoron és nincs az egyes lépcsőfokok között kisebb lépcsőfok. A szintek közti különbség az elektronok tömegétől és a mágneses mező erejétől függ, tehát a mágneses mező fokozásával az elektronok energiaszintjének teljes mértékben a tömegük alapján meghatározott mennyiséggel kellene növekedniük. De ebben az esetben nem ez történt. A nagy erejű mágnes alkalmazásával a kutatók azt figyelték meg, hogy a ZrSiS kristályban lévő Landau-szint átmenetek energiája a mágneses mező erejétől függően egy teljesen más mintázatot követ. A teoretikusok évekkel ezelőtt a „B^2/3 erő törvény” nevet adták ennek a mintázatnak, ami a fél-Dirac fermionok kulcsfontosságú jele.

Hogy megértsék a megfigyelt bizarr viselkedést, a kísérleti fizikusok elméleti fizikusokkal társultak, hogy kidolgozzanak egy olyan modellt, ami leírja a ZrSiS elektromos szerkezetét. Konkrétan azokra az utakra fókuszáltak, amiken az elektronok mozoghatnak és keresztezhetik egymást, hogy megvizsgálják azt, hogy az anyagban lévő elektronok hogyan veszítik el tömegüket, amikor az egyik irányba haladnak, de amikor egy másik irányba haladnak, akkor nem veszítik el a tömegüket. Képzeljük el, hogy a részecske egy kis vonat, ami egy sínhálózatra korlátozódik, ami az anyag alapjául szolgáló elektromos szerkezet. A sínek bizonyos pontokon keresztezik egymást. Az útján fénysebességgel haladó részecskevonatunk egyszer csak egy kereszteződéshez ér és egy merőleges sínre kell váltania. Hirtelen ellenállást tapasztal, tömege van. A részecskék vagy teljesen energiák, vagy az anyag sínjei mentén való haladási irányuktól függően van tömegük. 

 

A csapat elemzése fél-Dirac fermionok jelenlétét mutatta ki a kereszteződési pontoknál. Konkrétan, amikor lineáris úton haladtak, akkor nem volt tömegük, de amikor merőleges irányra váltottak, akkor volt tömegük.

 

A ZrSiS egy réteges anyag, akárcsak a grafit, ami szénatom rétegekből áll, amik egy atom vastagságú grafénlapokká hasíthatók le. A grafén a fejődő technológiák, például az akkumulátorok, napelemek, érzékelők és orvosbiológiai eszközök meghatározó komponense. A ZrSiS egy réteges anyag, ami azt jelenti, hogy amint kitalálják hogyan hasítsanak le egy réteget a vegyületből, hasznosítani tudják a fél-Dirac fermionok erejét, kontrollálni tudják a tulajdonságait ugyanazzal a precizitással, mint a grafénnál.

De a kísérlet adatait még nem tudják teljesen megmagyarázni. Sok megoldatlan rejtély van a megfigyelésekben, ezért most azon dolgoznak, hogy ezeket megértsék.

(Forrás: Pennsylvaniai Állami Egyetem: https://www.psu.edu/)