Странна частица придобива или губи маса в зависимост от посоката си

Скоростта на светлината е част от уравнението

Снимка: Shutterstock

Странна частица придобива или губи маса в зависимост от посоката си

Скоростта на светлината е част от уравнението

10:48 | 12 декември 2024 | Редактор : Стоян Гогов 14 3045 Снимка: Shutterstock

Учени случайно откриха частица, която има маса, когато се движи в една посока, но е без маса, когато се движи в друга. Известни като полу-Диракови фермиони, частици с такова странно поведение са били предсказани за първи път преди 16 години.

Откритието е направено в полуметален материал, наречен ZrSiS, съставен от цирконий, силиций и сяра, докато учените изучавали свойствата на квазичастици. Те възникват в резултат на колективното поведение на множество частици вътре в твърд материал.

"Това беше напълно неочаквано," каза Инминг Шао, водещ автор на изследването. "Дори не търсехме полу-Диракови фермиони, когато започнахме работа с този материал, но забелязахме сигнали, които не разбирахме - и се оказа, че сме направили първото наблюдение на тези странни квазичастици, които понякога се движат сякаш имат маса, а понякога сякаш нямат."

Това звучи като невъзможен феномен - как нещо може лесно да придобива и губи маса? Но всъщност това се връща към класическата формула, която всички сме чували, но много може би не разбират - E = mc2. Тя описва връзката между енергията и масата на една частица със скоростта на светлината, повдигната на квадрат.

Според теорията на относителността на Айнщайн, нищо, което има маса, не може да достигне скоростта на светлината, защото това би изисквало безкрайно количество енергия. Но се случва нещо интересно, когато погледнем на това от обратната страна - ако частица без маса намали скоростта си под скоростта на светлината, тя всъщност придобива маса.

Именно това се случва тук. Когато квазичастиците се движат по една ос вътре в кристалите на ZrSiS, те го правят със скоростта на светлината и затова са безмасови. Но щом опитат да се движат в друга посока, те срещат съпротивление, забавят се и придобиват маса.

"Представете си, че частицата е малък влак, ограничен в мрежа от релси, които са електронната структура на материала," обясни Шао. "В определени точки релсите се пресичат, така че нашият влак-частица се движи по своята бърза релса със светлинна скорост, но когато достигне пресечната точка и трябва да смени релсата с перпендикулярна, изведнъж среща съпротивление и придобива маса. Частиците са или само енергия, или имат маса, в зависимост от посоката на тяхното движение по "релсите" на материала."

Първоначално изследователите се заели да изучават квантовите взаимодействия в материала, като наблюдавали как електроните в него реагират на светлина. Те установили, че енергийното ниво на електроните следва неочакван модел с увеличаване на силата на магнитното поле - ключово предсказание за полу-Диракови фермиони.

Въпреки че това е доста абстрактна физика, екипът казва, че откритието може в крайна сметка да отвори врата за различни приложения на ZrSiS, подобни на тези на графена.

"Това е слоест материал, което означава, че щом успеем да изрежем еднослойна част от това съединение, можем да използваме силата на полу-Дираковите фермиони и да контролираме свойствата му с прецизността, която имаме при графена," каза Шао. "Но най-вълнуващата част от този експеримент е, че данните все още не могат да бъдат напълно обяснени. Има много неразгадани мистерии в това, което наблюдавахме, и върху това работим, за да го разберем."

Изследването е публикувано в списание Physical Review X.

ИЗБРАНО