首次观察到仅朝一个方向运动时才具有质量的粒子

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科学家们首次观察到一组粒子，也称为准粒子，它们在一个方向上移动时没有质量，但在另一个方向上有质量。这种准粒子被称为半狄拉克费米子，16 年前首次被理论化，但直到最近才在一种名为 ZrSiS 的半金属材料晶体中被发现。研究人员表示，对准粒子的观察为从电池到传感器等一系列新兴技术的未来发展打开了大门。
该团队由宾夕法尼亚州立大学和哥伦比亚大学的科学家领导，最近在《物理评论X》杂志上发表了他们的发现。
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“这完全出乎意料，”宾夕法尼亚州立大学物理学助理教授、论文第一作者邵银明说。“当我们开始研究这种材料时，我们甚至没有寻找半狄拉克费米子，但我们看到了我们无法理解的特征——事实证明，我们首次观察到这些狂野的准粒子，它们有时像有质量一样移动，有时像没有质量一样移动。”
如果粒子的能量完全来自其运动，则粒子没有质量，这意味着它本质上是以光速传播的纯能量。例如，光子或光粒子被认为是无质量的，因为它以光速运动。根据阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论，以光速传播的任何东西都不可能有质量。
邵解释说，在固体材料中，许多粒子（也称为准粒子）的集体行为可能与单个粒子的行为不同，在这种情况下，会产生仅在一个方向上具有质量的粒子。
半狄拉克费米子最早由几支研究团队于 2008 年和 2009 年提出，其中包括来自法国巴黎南部大学和加州大学戴维斯分校的科学家。理论学家预测，可能存在具有质量转移特性的准粒子，具体取决于它们的运动方向——它们在一个方向上看起来没有质量，但在向另一个方向移动时却有质量。
十六年后，邵和他的同事们通过一种称为磁光光谱的方法意外地观察到了假设的准粒子。该技术涉及在强磁场下将红外光照射到材料上，并分析从材料反射的光。邵和他的同事们想要观察 ZrSiS 银色晶体内部准粒子的特性。
研究小组在佛罗里达州的国家高磁场实验室进行了实验。该实验室的混合磁铁产生了世界上最强大的持续磁场，大约比地球磁场强 90 万倍。磁场非常强，可以悬浮水滴等小物体。
研究人员将一块 ZrSiS 冷却至 -452°F（仅比绝对零度高几度，这是最低可能温度），然后将其暴露在实验室强大的磁场中，同时用红外光照射它，以观察它揭示了材料内部量子相互作用的情况。
“我们研究了光学响应，即这种材料中的电子如何响应光，然后我们研究了光信号，看看这种材料本身及其底层物理特性是否有任何有趣的东西，”邵说。“在这种情况下，我们看到了半金属晶体中许多我们预期的特征，然后发生了所有这些令人费解的事情。”
邵解释说，当磁场施加到任何材料上时，该材料内部电子的能级就会量化为离散能级，称为朗道能级。这些能级只能具有固定值，就像爬楼梯时中间没有小台阶一样。这些能级之间的间距取决于电子的质量和磁场的强度，因此随着磁场的增加，电子的能级应该会完全根据其质量增加一定量——但在这种情况下，它们并没有增加。
研究人员利用佛罗里达州的高能磁铁观察到 ZrSiS 晶体中朗道能级跃迁的能量遵循完全不同的磁场强度依赖模式。多年前，理论学家将这种模式称为“B 2/3幂律”，这是半狄拉克费米子的关键特征。
为了理解他们观察到的奇怪行为，实验物理学家与理论物理学家合作开发了一个描述 ZrSiS 电子结构的模型。他们特别关注电子可能移动和相交的路径，以研究材料内部的电子在朝一个方向移动时如何失去质量，而不是朝另一个方向移动。
“想象一下，粒子是一列被限制在轨道网络中的微型列车，轨道是材料底层的电子结构，”邵说。“现在，在某些点上轨道相交，所以我们的粒子列车以光速沿着快速轨道移动，但随后它到达一个交叉点，需要切换到垂直轨道。突然，它受到阻力，它有质量。粒子要么全是能量，要么有质量，这取决于它们沿着材料‘轨道’移动的方向。”
研究小组的分析表明，在交叉点处存在半狄拉克费米子。具体来说，它们在沿直线路径移动时似乎没有质量，但在沿垂直方向移动时则变为有质量。邵解释说，ZrSiS 是一种层状材料，很像石墨，由多层碳原子组成，可以剥离成单原子厚的石墨烯片。石墨烯是新兴技术的关键组成部分，包括电池、超级电容器、太阳能电池、传感器和生物医学设备。
“这是一种分层材料，这意味着一旦我们能够弄清楚如何将这种化合物切割成单层，我们就可以利用半狄拉克费米子的力量，以与石墨烯相同的精度控制其特性，”邵说。“但这项实验最令人兴奋的部分是数据还无法完全解释。我们观察到的现象中有许多未解之谜，所以这就是我们正在努力理解的。”