Exotické částice v exotickém materiálu. Kredit: Shao et al. (2024), Physical Review X.

Lovci částic se tentokrát doopravdy překonali. Poprvé pozorovali kvazičástici semi-Diracův fermion, která se chová velmi exoticky. Při pohybu jedním směrem nemá žádnou hmotnost, zatímco při pohybu jiným směrem, který je kolmý na elektronickou strukturu materiálu, hmotnost má. Ve skutečnosti byla tato kvazičástice předpovězena již před 16 lety, ale pozorování se povedlo až teď, v krystalu polokovu ZrSiS. Zároveň nejde o nějaký ryze akademický úspěch. Semi-Diracovy fermiony se mohou uplatnit v řadě zajímavých aplikací, od baterií po senzory.

Yinming Shao. Kredit: Pennsylvania State University.

Yinming Shao z americké Pennsylvania State University a jeho kolegové to nečekali. Když zahájili experiment s polokovem ZrSiS, semi-Diracův fermion nehledali. Pak narazili na stopy velmi zvláštního chování a vyklubalo se z toho první pozorování doposud neviděných kvazičástic, které, jak se zdálo, opravdu někdy mají hmotnost a někdy ne.

Pokud částice nemá žádnou hmotnost, znamená to, že její energie je kompletně odvozená od jejího pohybu. Jinými slovy, jde o čirou energii, která se pohybuje rychlostí světla, jako třeba foton ve vakuu. V pevných materiálech vstupují do hry kvazičástice, tedy vlastně kolektivní chování mnoha částic, které se liší od chování jednotlivých částic.

Logo. Kredit: Pennsylvania State University.

Semi-Diracovy fermiony a jejich výstřední chování fyzici poprvé předpověděli v letech 2008 a 2009. Už tehdy byla řeč o kvazičásticích, které mají nestálou hmotnost, co se mění podle toho, jakým směrem se dotyčná kvazičástice pohybuje. Teď, tedy zhruba po 16 letech, Shao a spol. čirou náhodou semi-Diracovy fermiony detekovali při magnetooptické spektroskopii, během které se materiály ozařují infračerveným zářením v silném magnetickém poli.

Shaův tým prováděl experimenty v laboratořích National High Magnetic Field Laboratory na Floridě. Mají tam hybridní magnet, který generuje nejvýkonnější stálé magnetické pole na světě, asi 900 tisíckrát silnější než zemské magnetické pole. Je to tak silné magnetické pole, že v něm levitují malé objekty, jako třeba kapičky vody. Shao a spol. vzali krystal ZrSiS, zmrazili ho na teplotu blízkou absolutní nule, ozářili ho infračerveným zářením a zbytek je fyzikální historie.

Video: Landau levels spectroscopy sheds light on Semi-Dirac fermions

Literatura

Pennsylvania State University 10. 12. 2024.

Physical Review X 14: 041057.