اولین بار مشاهده ذره با جرم تنها در یک جهت حرکت

مشاهده ذرات جدید با ویژگی‌های منحصر به فرد

برای نخستین بار، دانشمندان مجموعه‌ای از ذرات را مشاهده کرده‌اند که به آن‌ها «کوازی‌ذره» گفته می‌شود. این کوازی‌ذره در یک جهت بدون جرم و در جهت دیگر دارای جرم است. این کوازی‌ذره که «فرمیون نیمه-دیراک» نامیده می‌شود، ۱۶ سال پیش برای نخستین بار نظریه‌پردازی شد، اما به تازگی در داخل یک کریستال از ماده نیمه‌فلزی به نام ZrSiS مشاهده شده است. به گفته محققان، مشاهده این کوازی‌ذره درهای جدیدی را به سوی پیشرفت‌های آینده در تکنولوژی‌های نوظهور، از باتری‌ها تا حسگرها، باز می‌کند. تیمی که تحت رهبری دانشمندان دانشگاه پن استیت و دانشگاه کلمبیا فعالیت می‌کند، به تازگی کشف خود را در نشریه Physical Review X منتشر کرده است.

یینمینگ شائو، استاد یار فیزیک در دانشگاه پن استیت و نویسنده اصلی مقاله، گفت: «این کاملاً غیرمنتظره بود.» او ادامه داد: «ما حتی به دنبال فرمیون نیمه-دیراک نبوده‌ایم وقتی که کار با این ماده را آغاز کردیم، اما نشانه‌هایی را مشاهده کردیم که نمی‌فهمیدیم – و مشخص شد که ما نخستین مشاهده این کوازی‌ذرات عجیب را انجام داده‌ایم که گاهی مانند ذرات دارای جرم حرکت می‌کنند و گاهی بدون جرم.»

یک ذره می‌تواند بدون جرم باشد زمانی که انرژی آن به طور کامل از حرکتش ناشی می‌شود، به این معنی که اساساً انرژی خالصی است که با سرعت نور حرکت می‌کند. به عنوان مثال، یک فوتون یا ذره نور به عنوان ذره‌ای بدون جرم در نظر گرفته می‌شود زیرا با سرعت نور حرکت می‌کند. بر اساس نظریه نسبیت خاص آلبرت اینشتین، هر چیزی که با سرعت نور حرکت کند نمی‌تواند دارای جرم باشد. در مواد جامد، رفتار جمعی بسیاری از ذرات که به آن‌ها کوازی‌ذرات نیز گفته می‌شود، می‌تواند رفتاری متفاوت از ذرات فردی داشته باشد، که در این مورد منجر به وجود ذراتی با جرم فقط در یک جهت می‌شود. شائو توضیح داد: «فرمیون‌های نیمه-دیراک برای نخستین بار در سال‌های ۲۰۰۸ و ۲۰۰۹ توسط چندین تیم از محققان، از جمله دانشمندان دانشگاه پاریس سود در فرانسه و دانشگاه کالیفرنیا دیویس نظریه‌پردازی شدند.»

نظریه‌پردازان پیش‌بینی کردند که ممکن است کوازی‌ذراتی با ویژگی‌های تغییر جرم بسته به جهت حرکت آن‌ها وجود داشته باشد؛ به این صورت که در یک جهت بدون جرم به نظر برسند و در جهت دیگر دارای جرم باشند. شانزده سال بعد، شائو و همکارانش به طور تصادفی این کوازی‌ذرات فرضی را از طریق روشی به نام طیف‌سنجی مغناطیسی-اپتیکی مشاهده کردند. این تکنیک شامل تاباندن نور مادون قرمز به یک ماده در حین قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی قوی و تحلیل نوری است که از ماده بازتابیده می‌شود.

شائو و همکارانش می‌خواستند ویژگی‌های کوازی‌ذرات را در داخل کریستال‌های رنگ نقره‌ای ZrSiS مشاهده کنند. این تیم آزمایش‌های خود را در آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا در فلوریدا انجام داد. میدان مغناطیسی ترکیبی این آزمایشگاه قوی‌ترین میدان مغناطیسی پایدار در جهان را ایجاد می‌کند که تقریباً ۹۰۰,۰۰۰ برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است. این میدان به قدری قوی است که می‌تواند اشیاء کوچک مانند قطرات آب را معلق کند.

محققان یک تکه از ZrSiS را تا دمای -۴۵۲ درجه فارنهایت خنک کردند – تنها چند درجه بالاتر از صفر مطلق، پایین‌ترین دمای ممکن – و سپس آن را در معرض میدان مغناطیسی قوی آزمایشگاه قرار دادند و با تاباندن نور مادون قرمز به آن، به بررسی تعاملات کوانتومی درون ماده پرداختند. شائو گفت: «ما در حال مطالعه پاسخ نوری، چگونگی واکنش الکترون‌ها در این ماده به نور بودیم و سپس سیگنال‌های نوری را بررسی کردیم تا ببینیم آیا چیز جالبی در مورد خود ماده و فیزیک زیرین آن وجود دارد.» او اضافه کرد: «در این مورد، ما بسیاری از ویژگی‌هایی را که انتظار داشتیم در یک کریستال نیمه‌فلزی ببینیم، مشاهده کردیم و سپس تمام این چیزهای دیگر که کاملاً گیج‌کننده بودند.»

تحقیقات جدید در مورد رفتار الکترون‌ها در مواد مغناطیسی

وقتی یک میدان مغناطیسی به هر ماده‌ای اعمال می‌شود، سطح انرژی **الکترون‌های** داخل آن ماده به سطوحی گسسته به نام “سطوح لاندو” تقسیم می‌شود. شائو توضیح داد که این سطوح تنها می‌توانند **مقادیر ثابتی** داشته باشند، مانند بالا رفتن از یک سری پله بدون هیچ پله کوچکی در بین. فاصله بین این سطوح به جرم الکترون‌ها و شدت میدان مغناطیسی بستگی دارد. بنابراین، با افزایش میدان مغناطیسی، سطوح انرژی الکترون‌ها باید به مقادیر مشخصی بر اساس جرم آن‌ها افزایش یابد، اما در این مورد، این اتفاق نیفتاد.

با استفاده از میدان مغناطیسی قوی در فلوریدا، محققان مشاهده کردند که انرژی انتقال‌های سطح لاندو در بلور ZrSiS **الگوی کاملاً متفاوتی** از وابستگی به شدت میدان مغناطیسی را دنبال می‌کند. سال‌ها پیش، نظریه‌پردازان این الگو را “قانون توان B^2/3” نامیدند که نشانه‌ای کلیدی از **فرمیون‌های نیمه-دیرک** است. برای درک رفتار عجیب مشاهده‌شده، فیزیک‌دانان تجربی با فیزیک‌دانان نظری همکاری کردند تا مدلی برای توصیف ساختار الکترونیکی ZrSiS توسعه دهند. آن‌ها به‌طور خاص بر روی مسیرهایی تمرکز کردند که الکترون‌ها ممکن است حرکت کنند و با هم تلاقی کنند تا بررسی کنند چگونه الکترون‌های داخل ماده در حال حرکت در یک جهت، **جرم خود را از دست می‌دهند** اما در جهت دیگر نه.

شائو گفت: “تصور کنید که ذره‌ای **مانند یک قطار کوچک** است که در یک شبکه از ریل‌ها، که ساختار الکترونیکی زیرین ماده است، محصور شده است. حالا، در نقاط خاصی ریل‌ها به هم می‌رسند، بنابراین قطار ذره‌ای ما در حال حرکت در ریل سریع خود با سرعت نور است، اما سپس به یک تقاطع می‌رسد و نیاز دارد که به یک ریل عمود بر آن تغییر مسیر دهد. ناگهان، با مقاومتی مواجه می‌شود و **جرم پیدا می‌کند**. ذرات بسته به جهت حرکت خود در ‘ریل‌های’ ماده، یا تمام انرژی دارند یا جرم.”

تحلیل تیم نشان داد که **فرمیون‌های نیمه-دیرک** در نقاط تلاقی وجود دارند. به‌طور خاص، آن‌ها در مسیرهای خطی بدون جرم به نظر می‌رسیدند اما هنگام حرکت در جهت عمود، به جرم تبدیل می‌شدند. شائو توضیح داد که ZrSiS یک ماده **لایه‌ای** است، مشابه گرافیت که از لایه‌های اتم‌های کربن تشکیل شده و می‌تواند به ورق‌های گرافن که یک اتم ضخامت دارند، لایه‌لایه شود. **گرافن** یک جزء حیاتی در فناوری‌های نوظهور، از جمله باتری‌ها، ابرخازن‌ها، سلول‌های خورشیدی، حسگرها و دستگاه‌های بیومدیکال است.

شائو گفت: “این یک ماده لایه‌ای است، به این معنی که وقتی بتوانیم یک لایه از این ترکیب را برش دهیم، می‌توانیم قدرت **فرمیون‌های نیمه-دیرک** را به کار بگیریم **و خواص آن را با همان دقت گرافن کنترل کنیم**.” اما هیجان‌انگیزترین بخش این آزمایش این است که داده‌ها هنوز به‌طور کامل قابل توضیح نیستند. **معماهای** زیادی در آنچه مشاهده کردیم وجود دارد، بنابراین این چیزی است که ما در تلاش برای درک آن هستیم.

دیگر محققان دانشگاه پن استیت در این مقاله شامل سنگ هات لی، **استاد تحقیقاتی** رشد بلورهای حجیم؛ یانگ لین ژو، پژوهشگر پسا دکترا؛ و ژی‌کیانگ مائو، استاد **فیزیک، علم مواد و مهندسی، و شیمی** هستند. دیمیتری باسوف، استاد فیزیک در دانشگاه کلمبیا، نویسنده اصلی این مقاله بود. سایر نویسندگان همکار شامل جی وانگ از دانشگاه تمپل؛ سئونگ‌فیلی مون از دانشگاه ایالت فلوریدا و **آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا**؛ میخایلو اوزرُف، دیوید گراف و دیمیتری اسمیروف از آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا؛ آ. ن. رودنکو و م. آی. کاتسنلسون از دانشگاه رادبود هلند؛ جوناه هرزگوگ-آربیتمن و ب. آندری برنوویگ از دانشگاه پرینستون؛ ژی‌ویان سون از دانشگاه هاروارد؛ و راکول کئیرز و **اندرو جی. میلیس** از دانشگاه کلمبیا هستند. **بنیاد ملی علوم ایالات متحده، وزارت انرژی ایالات متحده و بنیاد سیمونز**، جنبه‌های این تحقیق را در دانشگاه پن استیت تأمین مالی کردند.