Открыта частица, имеющая массу только при движении в одном направлении: полудираковский фермион путает физиков

Представьте себе мир, где законы физики слегка… непостоянны. Мир, где нечто может обладать массой, двигаясь в одну сторону, и тут же терять её, меняя направление. Звучит как научная фантастика? Отнюдь. Недавно группа учёных, ведомая исследователями из Университета штата Пенсильвания и Колумбийского университета, сделала поразительное открытие, которое заставляет пересмотреть привычные представления о материи. Речь идёт о квазичастице, получившей название «полудираковский фермион», — удивительном объекте, чьё поведение бросает вызов устоявшимся физическим законам.

Неожиданный поворот

Любопытно, что изначально исследователи вовсе не охотились за этим неуловимым «зверем». По словам ведущего автора исследования Иньмина Шао, всё началось с рутинного изучения свойств полуметаллического материала ZrSiS. Учёные погрузились в исследование его оптического отклика, анализируя, как электроны внутри материала взаимодействуют со светом. И тут, посреди, казалось бы, предсказуемых результатов, стали возникать аномалии. Данные указывали на нечто, выходящее за рамки привычного понимания.

«Мы словно наткнулись на потайную дверь в комнате, которую, как нам казалось, мы знали вдоль и поперек», — образно описывает ситуацию Шао.

Между светом и массой

Чтобы понять природу этой «тайной двери», учёные прибегли к методу магнитооптической спектроскопии. Представьте себе: кристалл ZrSiS, охлаждённый почти до абсолютного нуля (-269°C), помещается в сильнейшее магнитное поле. На него направляют луч инфракрасного света и затем анализируют отраженный сигнал, пытаясь расшифровать «разговор» частиц внутри материала.

И вот тут началось самое интересное. В нормальных условиях при увеличении магнитного поля энергетические уровни электронов должны меняться строго определённым образом, в зависимости от их массы. Это как подъём по лестнице: высота каждой ступеньки фиксирована. Но в случае с ZrSiS эта «лестница» повела себя совершенно непредсказуемо. Энергетические уровни менялись не так, как должны были, нарушая все мыслимые правила.

«Поезд», меняющий путь

Что же происходило внутри кристалла? Ключ к разгадке оказался в особой электронной структуре материала. Ученые сравнили поведение частиц с движением поезда по сложной системе путей. Представьте, что «поезд"-частица мчится по своему пути со скоростью света, не имея массы, но, достигая перекрестка и сворачивая на перпендикулярный путь, он внезапно «обрастает» массой. Словно невидимая сила на мгновение придаёт ему тяжесть.

Именно на этих «перекрёстках» и прятались загадочные полудираковские фермионы, меняя свои свойства в зависимости от направления движения.

Взгляд в будущее

Это открытие, описанное в журнале Physical Review X, — не просто очередная научная сенсация. Оно имеет далеко идущие последствия. ZrSiS, подобно графиту, состоит из слоёв, которые потенциально можно разделить до уровня отдельных атомов. И если учёные найдут способ управлять свойствами полудираковских фермионов в однослойном ZrSiS, как сейчас это делают с графеном, перед нами откроются поистине фантастические перспективы.

«Пока что мы лишь приоткрыли завесу тайны, — признаётся Шао. — Но уже сейчас ясно, что это открытие может привести к революционным прорывам в создании новых аккумуляторов, сенсоров и множества других устройств».

Впереди — долгий путь, полный новых вопросов и, несомненно, новых открытий. И кто знает, возможно, именно эти загадочные квазичастицы, меняющие массу по собственному желанию, станут ключом к технологиям будущего, о которых мы пока можем только мечтать.