Открыта частица, имеющая массу только при движении в одном направлении: полудираковский фермион путает физиков
Физики из Университета штата Пенсильвания и Колумбийского университета обнаружили квазичастицу, способную менять свою массу в зависимости от направления движения. Речь идет о так называемом «полудираковском фермионе» — объекте, который в одном направлении движется как безмассовая частица (со скоростью света), а в перпендикулярном — внезапно обретает массу. Это открытие, опубликованное в Physical Review X, заставляет пересмотреть базовые представления о поведении материи в твердых телах и открывает путь к созданию принципиально новых электронных компонентов.
Случайная находка в рутинном эксперименте
Ученые не ставили целью найти эту аномалию. Исследовательская группа под руководством Иньмина Шао изучала оптические свойства полуметалла ZrSiS — слоистого материала, напоминающего по структуре графит. Анализируя взаимодействие электронов со светом, специалисты зафиксировали отклонения от предсказуемых спектров. Данные указывали на существование частицы, чье поведение не вписывалось ни в одну из известных моделей.
«Мы словно наткнулись на потайную дверь в комнате, которую, как нам казалось, мы знали вдоль и поперек», — прокомментировал Шао.
Как поймали «неуловимого зверя»
Чтобы подтвердить гипотезу, исследователи применили метод магнитооптической спектроскопии. Кристалл ZrSiS охладили почти до абсолютного нуля (−269 °C) и поместили в сильное магнитное поле, после чего направили на него луч инфракрасного света. В норме энергетические уровни электронов в таких условиях меняются строго предсказуемо — как ступеньки лестницы фиксированной высоты. Однако в ZrSiS эта «лестница» нарушила все правила: уровни Ландау изменялись нелинейно, демонстрируя аномальную зависимость от магнитного поля.
Ключ к разгадке — уникальная электронная структура материала. Внутри кристалла существуют «перекрестки», где сходятся энергетические зоны с разной дисперсией. Двигаясь вдоль одной оси, частица ведет себя как безмассовый фермион Дирака, но при смене направления на перпендикулярное она внезапно «обрастает» массой. Ученые сравнили это с поездом, который мчится на скорости света по прямому пути, но, сворачивая на перпендикулярную ветку, резко замедляется и становится тяжелым.
Технологический потенциал открытия
Поскольку ZrSiS, как и графит, состоит из слоев, которые потенциально можно разделить до монослоя, у ученых появляется возможность управлять свойствами полудираковских фермионов. Если исследователи научатся контролировать этот эффект, открывается дорога к созданию сверхбыстрых транзисторов с переключаемой массой носителей заряда, высокочувствительных сенсоров и аккумуляторов нового поколения.
Пока что открытие находится на стадии фундаментального исследования. Впереди — изучение возможностей управления анизотропией массы в монослойных структурах и поиск других материалов, где могут проявляться подобные эффекты. Как отмечает Шао, «мы лишь приоткрыли завесу тайны, но уже сейчас ясно, что это может привести к революционным прорывам».
До недавнего времени существование полудираковских фермионов оставалось лишь теоретической гипотезой. Впервые такая концепция была предложена в 2008 году, но экспериментальных подтверждений не было. Открытие 2024 года стало первым прямым доказательством того, что частицы с переменной массой действительно могут существовать в реальных кристаллах. Это не только расширяет фундаментальные знания о квантовой механике, но и дает материаловедам конкретный инструмент для создания устройств с непривычными электронными свойствами. По сути, ученые получили в руки «переключатель» массы, работающий на квантовом уровне, — и теперь задача заключается в том, чтобы превратить этот курьез физики в инженерное решение.
