科学家们通过发现一种独特的粒子集合，称为准粒子，取得了突破性的发现，这种准粒子在一个方向上表现为无质量，而在相反方向上则具有质量。这种被识别为半狄拉克费米子的准粒子，最初在16年前被理论预测，但仅在最近被检测到，在一种名为ZrSiS的半金属晶体中。研究人员表示，这一发现为未来在各类新兴技术中的进展铺平了道路，从电池到传感器等。
由宾州州立大学和哥伦比亚大学的专家组成的研究团队在《物理评论X》期刊上分享了他们的发现。
“这个发现完全是出乎意料的，”宾州州立大学的物理学助理教授、该研究的主要作者邵银明表示。“在处理这种材料时，我们并没有特别寻找半狄拉克费米子。然而，我们观察到了一些让我们困惑的模式，导致首次检测到这些异常的准粒子，它们有时表现出质量，有时则像无质量一样。”
当一个粒子的能量完全是动能时，它被视为无质量，有效地使其成为一种以光速传播的能量形式。例如，光子或光粒子被认为是无质量的，因为它以这个速度移动。根据阿尔伯特·爱因斯坦的特殊相对论理论，任何以光速运动的物体都无法携带质量。在固体材料中，粒子群体的集体行为，称为准粒子，可能与单个粒子的行为不同，导致粒子仅在一个方向具有质量的现象，正如邵所解释的那样。
半狄拉克费米子最初在2008年和2009年由包括巴黎南大学和加利福尼亚大学戴维斯分校在内的多个研究团队理论预测，预计其拥有根据运动方向变化的质量特性——在一个方向上无质量，而在另一个方向上有质量。
十六年后，邵和他的团队在使用一种名为磁光谱法的技术时偶然发现了这些假设的准粒子。这种方法涉及在强磁场下将红外光照射到材料上并分析反射的光。研究人员旨在研究存在于银色ZrSiS晶体中的准粒子的特性。
在佛罗里达州国家高磁场实验室进行的实验利用了全球最强的持续磁场，其强度约为地球磁场的90万倍。这种惊人的磁场强度能够使小物体如水滴悬浮。
研究人员将ZrSiS的样本冷却至-452华氏度——仅比绝对零度高出几度——并在实验室的强磁场下照射红外光，以探索材料内部的量子相互作用。
“我们专注于材料中电子对光的响应，然后检查结果信号，以识别有关材料及其基本物理学的有趣方面，”邵解释道。“尽管我们观察到了半金属晶体的许多预期特征，但我们也面临着超出我们初步理解的令人困惑的结果。”
邵指出，当对任何材料施加磁场时，电子的能级会量子化为称为兰道能级的定义水平。这些能级的行为像楼梯上的固定台阶，意味着它们只能占据特定值，而没有中间步骤。这些能级之间的间隔依赖于电子的质量和磁场的强度。因此，随着磁场增强，能级应根据电子的质量而增加，但在此情形下并非如此。
借助佛罗里达州的强大磁铁，研究人员注意到ZrSiS晶体中兰道能级能量跃迁的独特模式，与预期的磁场强度依赖关系截然不同。数年前，理论家们将这一模式指定为“B^(2/3)幂律”，这是半狄拉克费米子的一个定义性指标。
为了破解他们所遭遇的特殊行为，实验物理学家与理论物理学家合作，创建了一个模型来解释ZrSiS的电子结构。他们集中研究电子运动的潜在路径和交点，以探讨为何电子在一个方向上失去质量而在另一个方向上保持质量。
邵表示：“可以将粒子视为在轨道网络中行驶的小火车，轨道网络象征着材料的电子结构。”他补充道：“在某些点上，轨道交叉，因此我们的小火车以光速沿着路径行驶，但遇到需要改变方向的交叉口。在这一时刻，它遇到了阻力，从而获得了质量。粒子可以表现为纯能量或质量，取决于它们在材料的’轨道’内的运动方向。”
分析显示，半狄拉克费米子出现在这些交点处：它们在直行时无质量，而在改变方向时获得质量。邵指出，ZrSiS是一种层状材料，类似于石墨，由可以切割成单原子厚的石墨烯片的碳原子层构成。石墨烯在多个新兴技术中发挥着至关重要的作用，包括电池、超级电容器、太阳能电池、传感器和生物医学设备。
“作为一种层状材料，使我们能够潜在地隔离出这种化合物的单层，从而利用半狄拉克费米子的能力，并以与石墨烯类似的精确度控制其特性，”邵评论道。“这次实验的激动人心之处在于，我们的数据部分仍未被解释。我们观察到的许多奥秘仍然存在，这就是我们正在深入探讨的内容。”
这篇论文还包括宾州州立大学的其他贡献者：专门从事大块晶体生长的助理研究教授李承华；博士后研究员朱杨霖；以及物理学、材料科学与工程、化学教授毛志强。哥伦比亚大学的海金斯物理学教授德米特里·巴索夫也分享了主要作者身份。其他合著者包括来自天普大学的王杰；来自佛罗里达州立大学和国家高磁场实验室的文成辉；来自国家高磁场实验室的米哈伊尔·奥泽罗夫、戴维·格拉夫和德米特里·斯米尔诺夫；来自荷兰拉德堡德大学的安东·鲁登科和马尔科·卡茨内尔森；来自普林斯顿大学的乔纳·赫尔佐格-阿贝特曼和B·安德烈·贝尔内维奇；来自哈佛大学的孙志远；以及来自哥伦比亚大学的拉凯尔·凯罗兹和安德鲁·J·米利斯。
这项研究获得了美国国家科学基金会、美国能源部和西蒙斯基金会的资助。
