Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci poprvé pozorovali kvazičástice, které jsou při pohybu jedním směrem bez hmotnosti, ale v jiném směru hmotnost mají. Tato kvazičástice, tzv. semi-Diracův fermion, byla poprvé teoreticky popsána před 16 lety, ale teprve nyní se ji podařilo detekovat uvnitř krystalu polokovového materiálu ZrSiS. Objev podle vědců otevírá dveře k budoucímu pokroku v řadě nových technologií od baterií po senzory.
Klasická částice nemůže mít nulovou hmotnost – to by se musela pohybovat rychlosti světla (a pak by šlo o nulovou klidovou hmotnost atd.). Kolektivní chování (stavy) mnoha částic v pevných materiálech, tedy kvazičástice, ale někdy vykazují řadu exotických podivností.
Semi-Diracovy fermiony byly poprvé teoreticky popsány v letech 2008 a 2009 několika týmy výzkumníků, včetně vědců z Université Paris Sud ve Francii a Kalifornské univerzity v Davisu. Teoretici předpokládali, že by mohly existovat kvazičástice s hmotností závisející na směru jejich pohybu – že by se v jednom směru jevily jako bez hmotnosti, ale při pohybu v jiném směru by ji měly.
Hlavní autor nové studie Yinming Shao z Pennsylvania State University a jeho kolegové nyní tyto hypotetické kvazičástice náhodou pozorovali pomocí magnetooptické spektroskopie. Tato technika spočívá v tom, že se na materiál svítí infračerveným světlem, zatímco je vystaven silnému magnetickému poli. Analyzuje se světlo odražené od materiálu. Vědci chtěli pozorovat „obecné kvantové“ vlastnosti kvazičástic uvnitř stříbrně zbarvených krystalů ZrSiS.
Tým prováděl své experimenty v Národní laboratoři vysokého magnetického pole na Floridě. Hybridní magnet této laboratoře vytváří nejsilnější trvalé magnetické pole na světě, zhruba 900 000krát silnější než magnetické pole Země. Výzkumníci ochladili kousek ZrSiS na několik stupňů nad absolutní nulu a pak jej v laboratoři vystavili extrémnímu magnetickému poli. Na vzorek zároveň na dopadalo infračervené světlo.
Když na jakýkoli materiál působí magnetické pole, energetické hladiny elektronů uvnitř tohoto materiálu se kvantují do diskrétních hladin zvaných Landauovy hladiny. Ty mohou mít pouze pevné hodnoty. Vzdálenost mezi nimi závisí na hmotnosti elektronů a síle magnetického pole, takže s rostoucím magnetickým polem by se měly energetické hladiny elektronů zvyšovat o stanovené hodnoty, které vycházejí výhradně z jejich hmotnosti – ale v tomto případě se tak nestalo.
Vědci pozorovali, že energie přechodů Landauových hladin v krystalu ZrSiS se řídí zcela jiným vzorcem závislosti na intenzitě magnetického pole. Před lety teoretici tento vzorec označili jako „mocninný zákon B na 2/3“, což je klíčový znak semi-Diracových fermionů.
Experimentální fyzikové ve spolupráci s teoretickými fyziky pak vyvinuli model, který popisoval elektronovou strukturu ZrSiS. Konkrétně se zaměřili na dráhy, po kterých se elektrony mohou pohybovat a křížit, aby zjistili, jak elektrony uvnitř materiálu ztrácejí svou hmotnost, když se pohybují jedním směrem, ale ne jiným.
„Představte si, že částice je malý vlak, který je omezen na síť kolejí, jež jsou základní elektronovou strukturou materiálu,“ vysvětluje to Y. Shao. „V určitých bodech se koleje kříží, takže náš vlak s částicemi se pohybuje po své rychlé trati rychlostí světla, ale pak narazí na křižovatku a musí přejít na kolmou trať. Najednou pocítí odpor, má hmotnost. Částice mají nebo nemají hmotnost v závislosti na směru jejich pohybu po ‚kolejích‘ materiálu.“
ZrSiS je vrstevnatý materiál a tyto vrstvy lze potenciálně exfoliovat až do listů o tloušťce jednoho atomu podobně jako u grafitu/grafenu. V 1 vrstvě pak bude změna hmotnosti při změně pohybu na kolmý směr zvlášť efektivní a snad i potenciálně nějak využitelná.
Yinming Shao et al, Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal, Physical Review X (2024). DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041057
Zdroj: Pennsylvania State University / Phys.org, přeloženo / zkráceno
Credit: Yinming Shao
