مغناطیس 900,000 برابر قوی‌تر از زمین ذرات جرم‌دار جهت‌دار را آشکار می‌کند
در پیشرفتی مهم، پژوهشگران گروهی از ذرات به نام شبه‌ذرات را کشف کرده‌اند که در یک جهت جرم دارند ولی در جهت دیگر بدون جرم هستند.
شبه‌ذره‌ای به نام فرمیون نیمه‌دیرک، که اولین بار 16 سال پیش پیش‌بینی شده بود، اکنون درون یک کریستال نیمه‌فلزی به نام ZrSiS یافته شده است.
این کشف در آزمایشاتی که در آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالای فلوریدا و با استفاده از یک مغناطیس ترکیبی 900,000 برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین انجام شد، به دست آمده است.
دانشمندان دانشگاه ایالتی پن و دانشگاه کلمبیا می‌گویند این کشف می‌تواند به پیشرفت فناوری‌هایی مانند باتری‌ها و حسگرها منجر شود.
یینمینگ شائو، استادیار فیزیک در دانشگاه ایالتی پن و نویسنده اصلی مقاله، در بیانیه‌ای گفت: «ما زمانی که شروع به کار با این ماده کردیم به دنبال فرمیون نیمه‌دیرک نبودیم، اما نشانگرهایی را می‌دیدیم که نمی‌فهمیدیم، و معلوم شد که اولین مشاهده این شبه‌ذرات عجیب را داشته‌ایم که گاهی از لحاظ جرم حرکت می‌کنند و گاهی بدون جرم.
تناقض جهت جرم
ذرات گاهی می‌توانند مانند این رفتار کنند که هیچ جرمی ندارند وقتی که انرژی آنها کاملاً از حرکت می‌آید، این باعث می‌شود آنها به انرژی خالصی تبدیل شوند که با سرعت نور حرکت می‌کند. برای مثال، فوتون‌ها یا ذرات نور، بدون جرم هستند زیرا با سرعت نور حرکت می‌کنند.
طبق نظریه نسبیت خاص انیشتین، هر چیزی که با سرعت نور حرکت می‌کند نمی‌تواند جرم داشته باشد. با این حال، در مواد جامد، رفتار جمعی بسیاری از ذرات، به نام شبه‌ذرات، می‌تواند متفاوت باشد. این رفتار منحصر به فرد می‌تواند باعث شود که ذرات تنها در یک جهت جرم داشته باشند.
تیم تحقیقاتی می‌گوید که فرمیون‌های نیمه‌دیرک، نوعی از شبه‌ذرات، اولین بار در سال‌های 2008 و 2009 توسط پژوهشگرانی از مؤسسات دانشگاه پاریس-جنوب در فرانسه و دانشگاه کالیفرنیا، دیویس نظریه‌پردازی شده‌اند. پیش‌بینی شده بود که این شبه‌ذرات جرمی دارند که با جهت حرکت آنها تغییر می‌کند - در یک جهت بدون جرم و در جهت دیگر با جرم هستند.
شانزده سال بعد از این پیش‌بینی، پژوهشگران به رهبری شائو و همکارانش به طور تصادفی فرمیون‌های نیمه‌دیرک را با استفاده از طیف‌سنجی مغناطیسی-نوری مشاهده کردند.
این تکنیک نور مادون قرمز را بر روی ماده‌ای تحت میدان مغناطیسی قوی تابانده و نور بازتابیده شده را تجزیه و تحلیل می‌کند. در حالی که آنها در حال مطالعه کریستال‌های نقره‌ای رنگ ZrSiS بودند، تیم به طور غیرمنتظره‌ای وجود این شبه‌ذراتی که طولانی مدت نظریه‌پردازی شده بودند را تأیید کرد.
رفتار غیر معمول الکترون‌ها
پژوهشگران آزمایشاتی را در آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالای فلوریدا انجام دادند و از قوی‌ترین مغناطیس ترکیبی جهان استفاده کردند، که 900,000 برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است.
آنها نمونه‌ای از ZrSiS را به دمای -452°F، نزدیک به صفر مطلق، خنک کردند و در حالی که نور مادون قرمز را برای مطالعه خواص کوانتومی آن تابانده می‌شد، آن را به میدان مغناطیسی در معرض قرار دادند. با مشاهده پاسخ نوری ماده، آنها پدیده‌های غیرمنتظره‌ای در رفتار الکترونی آن کشف کردند.
وقتی که یک میدان مغناطیسی اعمال می‌شود، سطوح انرژی الکترون به صورت مقادیر لاندو ثابت تبدیل می‌شود. به طور معمول، این سطوح با توجه به قدرت میدان مغناطیسی و بر اساس جرم الکترون به طور پیش‌بینی‌پذیری افزایش می‌یابند. با این حال، در ZrSiS، گذارهای انرژی الگوی غیرعادی‌ای به نام «قانون قدرت B^(2/3)» را دنبال می‌کردند، که نشانگر فرمیون‌های نیمه‌دیرک بود.
به گفته تیم، تحلیل بیشتر نشان داد که الکترون‌ها در ZrSiS در حین حرکت در یک جهت جرم خود را از دست می‌دهند اما در هنگام حرکت متقاطع جرم می‌گیرند. ساختار الکترونیکی ماده مسیرهایی ایجاد می‌کند که در آن الکترون‌ها مانند ذرات بدون جرم در مسیرهای خطی حرکت می‌کنند ولی در تقاطع‌ها جرم کسب می‌کنند.
ساختار لایه‌ای ZrSiS که شبیه گرافیت و گرافن است، به این ویژگی‌های منحصر به فرد کمک می‌کند. این کشف به قابلیت‌های فرمیون‌های نیمه‌دیرک در پیشرفت فناوری‌هایی مانند باتری‌ها، حسگرها و دستگاه‌های پزشکی اشاره می‌کند.
شائو در بیانیه‌ای گفت: «این یک ماده لایه‌ای است، که به معنی این است که زمانی که بتوانیم یک لایه منفرد از این ترکیب را برش دهیم، می‌توانیم قدرت فرمیون‌های نیمه‌دیرک را بکار بگیریم و خصوصیات آن را با دقت مشابه گرافن کنترل کنیم. اما هیجان‌انگیزترین بخش این آزمایش این است که داده‌ها به‌طور کامل قابل توضیح نیستند. بسیاری از راز‌های ناشناخته در آنچه مشاهده کرده‌ایم وجود دارد، و این همان چیزی است که ما در تلاش برای درک آن هستیم.
جزئیات پژوهش تیم در مجله Physical Review X منتشر شده است.
