מדענים גילו תגלית פיזיקה מספקת ומסקרנת כ-16 שנים לאחר שנחזה לראשונה כאפשרות:קוואזי-חלקיק(קבוצת חלקיקים שמתנהגת כאחד) שיש לה מסה יעילה רק כאשר נעים בכיוון אחד.
בפיזיקה, מסה מתייחסת בדרך כלל לתכונה של חלקיקים המתייחסת לדברים כמו האנרגיה שלהם והתנגדות לתנועה. עם זאת, לא כל המסה בנויה זהה - חלקם מתארים את האנרגיה של חלקיק במנוחה, למשל, בעוד שמסה עשויה לקחת בחשבון גם את האנרגיה של תנועת החלקיק.
במקרה זה, המסה האפקטיבית מתארת אתתגובתו של כוחות, אשר משתנה בהתאם אם התנועה דרך החומר היא למעלה ולמטה, או קדימה ואחורה.
ואילו רגילבעלי אותה מסה לא משנה מה כיוון הנסיעה שלהם, החצי דיראק(כדי לתת לזה את שמו הטכני) שנלמד כאן לא נראה בהתאם לכללים הרגילים.
זו תגלית שיכולה לעשות הבדל מהותי בתחומים כמווחיישנים אלקטרוניים.
הקוואזי-חלקיק החדש התגלה על ידי צוות בינלאומי של מדענים בתוך גביש חצי מתכתי ZrSiS, מקורר עד -452 מעלות פרנהייט (או -269 מעלות צלזיוס) - מערכת קיצונית של תנאים עבור קוואזי-חלקיק נדיר ביותר.
בדרך כלל ניתן לתאר חלקיקים כאוֹ, תלוי במדד של תכונה הנקראת ספין. לפרמיונים של דיראק - הן בצורה טיפוסית והן בצורת קוואזי-חלקיקים - יש תכונות שמגיעות בצורות חלקיקים ואנטי-חלקיקים מנוגדות.
פרמיון למחצה דיראק המפורט במחקר החדש הוא חיה מוזרה של דבר שהיתה קיימת רק בתיאוריה עד עכשיו, ופועלת תחת קווים מנחים שונים מאוד של אנרגיה בכיוונים מאונכים.
"זה היה לגמרי לא צפוי",אומרפיזיקאי החומר המעובה Yinming Shao, מאוניברסיטת מדינת פנסילבניה. "אפילו לא חיפשנו פרמיון חצי דיראק כשהתחלנו לעבוד עם החומר הזה, אבל ראינו חתימות שלא הבנו".
"מסתבר שעשינו את התצפית הראשונה על חלקיקי הפרא האלה שלפעמים נעים כאילו יש להם מסה ולפעמים נעים כאילו אין להם."
החוקרים השתמשו בשיטת ניתוח מדעית הידועה בשםספקטרוסקופיה מגנטו-אופטיתכשהם גילו את התגלית. זה המקום שבו חומרים נחקרים באמצעות החזרי האור האינפרא אדום שהם פולטים, תחת השפעת שדה מגנטי חזק.
ואכן אנחנו מתכוונים לחזק: חזק פי 900,000 מהשדה המגנטי של כדור הארץ, באדיבות המעבדה הלאומית לשדה מגנטי גבוה בפלורידה. אלו הם התנאים האקזוטיים שמדענים משתמשים בהם כדי לחקור את האינטראקציות הנדירות ביותר בהיקפים הקטנים ביותר.
משם נצפתה וזוהתה פעילות הפרמיון למחצה דיראק, בעזרת מודלים מספריים:להיות חסר מסהבכיוון אחד (עם כל האנרגיה המתוארת על ידי תנועתו), אך בעל מסה יעילה באחר. למזלם של הלא-פיזיקאים, החוקרים מספקים אנלוגיה.
"דמיין שהחלקיק הוא רכבת זעירה המוגבלת לרשת של מסילות, שהן המבנה האלקטרוני הבסיסי של החומר."אומרשאו.
"עכשיו, בנקודות מסוימות המסילות מצטלבות, אז רכבת החלקיקים שלנו נעה לאורך המסלול המהיר שלה, במהירות האור, אבל אז היא פוגעת בצומת וצריכה לעבור למסילה מאונכת.
"פתאום, הוא חווה התנגדות, יש לו מסה. החלקיקים הם או כולם אנרגיה או בעלי מסה בהתאם לכיוון התנועה שלהם לאורך 'מסלולי' החומר".
זה רגע בולט בפיזיקה, כולל עבור אלההשערה ראשונההתופעות עוד בשנת 2008. יש עדיין הרבה מה לחקור כאן - כולל להבין כיצד לחלץ שכבות בודדות מהגביש הרב-שכבתי ZrSiS - לפני שנוכל להתחיל לחשוב על ההשלכות המלאות שלו וכל שימוש מעשי.
"החלק המרגש ביותר בניסוי הזה הוא שלא ניתן עדיין להסביר את הנתונים במלואם,"אומרשאו.
"יש הרבה תעלומות לא פתורות במה שצפינו, אז זה מה שאנחנו עובדים כדי להבין."
המחקר פורסם בסקירה פיזית X.
