פיזיקאים צפו ב"קוואזי-חלקיק" שיש לו מסה כאשר הוא נע בכיוון אחד, ואין מסה כאשר הוא פונה לכיוון אחר.
הקוואזי-חלקיק הועלה בתיאוריה לפני 16 שנים, אבל זו הפעם הראשונה שהוא זוהה ישירות.
המכונה "פרמיון למחצה דיראק", הקוואזי-חלקיק נמצא במקרה בזמן שהצוות חקר חלקיקים אחרים.
"תארו לעצמכם שהחלקיק הוא רכבת זעירה המוגבלת לרשת של מסילות, שהן המבנה האלקטרוני הבסיסי של החומר", אומר המחבר הראשי Yinming Shao, עוזר פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת פנסילבניה סטייט, ארה"ב.
"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."
לחוקרים ישפורסםהממצאים שלהם בסקירה פיזית X.
קוואזי-חלקיקים הם אוספים של אינטראקציות במערכת שמתנהגות כמו חלקיק בודד.
פרמיונים למחצה דיראק היו לראשונה ב-2008 וב-2009 על ידי פיזיקאים שחזו שלקוואזי-חלקיקים אלה יכולה להיות מסה או להיות חסרת מסה בהתאם לכיוון התנועה שלהם.
"זה היה לגמרי לא צפוי", אומר שאו, "אפילו לא חיפשנו פרמיון חצי דיראק כשהתחלנו לעבוד עם החומר הזה, אבל ראינו חתימות שלא הבנו.
"והתברר שעשינו את התצפית הראשונה על חלקיקי הפרא האלה שלפעמים נעים כאילו יש להם מסה ולפעמים נעים כאילו אין להם."
החוקרים חקרו את האינטראקציות הקוונטיות בתוך גביש זירקוניום סיליקון גופרתי (ZrSiS) בטכניקה הנקראת ספקטרוסקופיה מגנטו-אופטית.
זה כולל הכפפת חומר למגנט סופר חזק - במקרה זה, אחד המגנטים החזקים בעולם במעבדת השדה המגנטי הלאומי של ארה"ב - והארת אור אינפרא אדום עליו.
האור האינפרא אדום המוחזר והנספג יכול לספר לחוקרים מידע על מבנה החומר.
"למדנו איך אלקטרונים בתוך החומר הזה מגיבים לאור, ואז חקרנו את האותות מהאור כדי לראות אם יש משהו מעניין בחומר עצמו, לגבי הפיזיקה הבסיסית שלו", אומר שאו.
"במקרה הזה, ראינו תכונות רבות שהיינו מצפים להן בגביש חצי מתכתי ואז כל הדברים האחרים האלה קורים שהיו תמוהים לחלוטין."
הצוות ציפה שהאלקטרונים בתוך החומר יסיינו את עצמם לרמות אנרגיה בתבנית ספציפית, הקשורה למסה שלהם ולחוזק השדה המגנטי.
אבל במקום זאת, הם יצרו סדר שונה לחלוטין - עקבי עם פרמיון חצי דיראק. הצוות בנה מודל עם פיזיקאים תיאורטיים כדי לבסס את זהותו.
Shao אומר שתגלית זו עשויה להפוך את ZrSiS לחומר שימושי בטכנולוגיה עתידית.
"זהו חומר שכבות, מה שאומר שברגע שנוכל להבין איך לחתוך שכבה אחת של התרכובת הזו, נוכל לרתום את הכוח של פרמיונים למחצה דיראק, לשלוט בתכונות שלו באותה דיוק כמו גרפן", הוא אומר.
"אבל החלק המרגש ביותר בניסוי הזה הוא שלא ניתן עדיין להסביר את הנתונים במלואם. יש הרבה תעלומות לא פתורות במה שצפינו, אז זה מה שאנחנו עובדים כדי להבין".
