אוסף של חלקיקים המכונה קוואזי-חלקיק זוהה המתנהג כאילו יש לו מסה כאשר הוא נע בכיוון אחד, אך הופך ללא מסה כאשר הוא נע בזווית ישרה. ככל שזה נשמע בלתי סביר, המדענים שגילו את זה כבר שוקלים יישומים בסוללות וחיישנים.
זה נשמע כמו בדיחה מתוחה על חבר בלהקת בנים שזוטש את הקתוליות ביציאה לסולו, אבל ב-2018-9 צוותים עצמאיים הציעו מה שנקרא פרמיון חצי דיראק; קוואזי-חלקיק בעל מסה רק בכיוון אחד. כעת הוכח שהמושג המנוגד להיגיון הוא אמיתי, קיים בתוך גביש בשם ZrSiS (שם שאולי נבדק בקבוצת מיקוד עבור קבוצת בנות בזמן שאנחנו מדברים).
לרוב החלקיקים התת-אטומיים יש מסה, בין אם קטנה עבור אלקטרונים, או גדולה יותר עבור. כמה הם חסרי מסה, כמו פוטונים. זמן רב התלבט אםהיו חסרי מסה או לא, אבל הרבה יותר קל להבין את אי הוודאות מאשר משהו שמחליף בין שני המצבים.
תורת היחסות המיוחדת גורסת שעצמים הנעים במהירות האור חייבים להיות חסרי מסה. זו אחת הסיבות שיותר מהר מנסיעה קלה עשויה להיות בלתי אפשרית - אם יש לך מסה אתה לא יכול לנסוע במהירות האור, ואנחנו לא בטוחים איך להגיע מהר יותר מזה מבלי לצאת במהירות האור. זה יהיה נחמד אם נוכל להשיל בקצרה את המסה שלנו כדי לחצות את הגבלת המהירות הקוסמית, אבל זה נראה לא סביר.
אוּלָם,- אוספי חלקיקים שמתנהגים כישות (לפחות בכמה מדדים) - יכולים להראות התנהגות קולקטיבית בלתי אפשרית אצל כל אדם. זה הוביל את החוקרים להציע אפשרות של קוואזי-חלקיקים שינועו במהירות האור, ולכן יהיו חסרי מסה בכיוון אחד, אך ינועו לאט יותר מהאור בכיוון השני. עם זאת, יש – בלשון המעטה – לעתים קרובות פער בין ספקולציות של תיאורטיקנים לבין מה שניתן למצוא. אולם במקרה זה, הפער הזה היה רק 16 שנים.
"זה היה לגמרי לא צפוי", אמר ד"ר יינמינג שאו מאוניברסיטת פן סטייט, שלמרבה המזל נראה מבולבל כמעט כמו כולנו, בהַצהָרָה. "אפילו לא חיפשנו פרמיון חצי דיראק כשהתחלנו לעבוד עם החומר הזה, אבל ראינו חתימות שלא הבנו - ומתברר שעשינו את התצפית הראשונה על חלקיקי הפרא האלה שלפעמים נעים כמו יש להם מסה ולפעמים זזים כאילו אין להם".
הצוות של שאו האיר אור אינפרא אדום על ZrSiS תוך הפעלת שדה מגנטי רב עוצמה, תהליך המכונה ספקטרוסקופיה מגנטו-אופטית, וחקר האור המוחזר.
לאחר קירור גביש ZrSiS, שהוא סוג שלשמוליך או מתנגד בהתאם לכיוון הזרם, עד לאפס מוחלט ומשתמש בשדה המגנטי המתמשך החזק ביותר בעולם, אמר שאו, "למדנו תגובה אופטית, איך אלקטרונים בתוך החומר הזה מגיבים לאור, ואז חקרנו את האותות מהאור כדי לראות אם יש משהו מעניין בחומר עצמו, בפיסיקה הבסיסית שלו."
חלק ממה שהצוות ראה תאם את הציפיות, אבל תצפיות אחרות הדהימו את הפיזיקאים.
שדות מגנטיים מכמתים את רמות האנרגיה הפוטנציאלית של אלקטרונים גם כשהם אינם מקיפים אטום, מה שהופך את האנרגיות שבין לבין בלתי אפשריות. גודל הקפיצות בין רמות מוכתבות על ידי עוצמת השדה ומסת האלקטרון. פרמיונים בעלי מסה מגדילים את רמות האנרגיה שלהם ביחס ישר לחוזק השדה. בגרפן, לפרמיונים חסרי מסה יש מעברי אנרגיה שגדלים כשורש הריבועי של השדה המגנטי (כלומר B1/2). ב-ZrSiS, המרווח בין הרמות עלה באופן יחסי לשדה בחזקת שני שליש (B2/3), משהו שנחזה עבור פרמיונים למחצה דיראק, אם כי לא צפוי להתרחש בסביבה זו.
בשלב זה שאו ועמיתיו הזמינו חיזוקים תיאורטיים כדי להבין מה הם מצאו.
"דמיין שהחלקיק הוא רכבת זעירה המוגבלת לרשת של מסילות, שהן המבנה האלקטרוני הבסיסי של החומר", אמר שאו. "עכשיו, בנקודות מסוימות המסילות מצטלבות, אז רכבת החלקיקים שלנו נעה לאורך המסילה המהירה שלה, במהירות האור, אבל אז היא פוגעת בצומת וצריכה לעבור למסלול מאונך. פתאום היא חווה התנגדות, יש לה מסה. החלקיקים הם או כולם אנרגיה או בעלי מסה בהתאם לכיוון התנועה שלהם לאורך 'מסלולי' החומר."
Shao אופטימי לגבי יישומים מכיוון של-ZrSiS יש מבנה שכבות כמו גרפיט. היכולת לייצר יריעות גרפיט בעובי אטום אחד, הידוע יותר בשם, שיחרר א.
"ברגע שנוכל להבין כיצד לחתוך שכבה אחת של התרכובת הזו, נוכל לרתום את הכוח של פרמיונים למחצה דיראק, לשלוט בתכונותיו באותה דיוק כמו גרפן", אמר שאו. עם זאת, נראה שאו שיתף פעולה מספיק עם הפיזיקאים התיאורטיים שייתכן שחלק מהשקפתם על העולם התחככה עליו "אבל החלק המרגש ביותר בניסוי הזה הוא שעדיין לא ניתן להסביר את הנתונים במלואם", אמר. "יש הרבה תעלומות לא פתורות במה שצפינו, אז זה מה שאנחנו עובדים כדי להבין."
למרבה הפלא, זה לא כאילו פרמיונים למחצה דיראק לא נמצאו כי הם נחשבו כל כך לא סבירים שאיש לא טרח לחפש. במקום זאת, הצוות אומר שההצעות לקיומו של החצי חלקיק "הציתו עניין תיאורטי וניסיוני אינטנסיבי". היו תקוות למצוא אותם ביריעות גרפן מתוחות, אבל אפילו החומר החזק המפורסם הזה לא יכול היה להתמודד עם כל כך הרבה מאמץ. ובכל זאת, מה יכול להיות יותר ברוחמאשר קוואזי-חלקיק שאתה לא יכול למצוא כשאתה מחפש, וזה מופיע כשעורכים ניסוי אחר לגמרי?
המחקר פורסם בגישה פתוחה בסקירה פיזית X.
