Физики подтвердили наличие квазичастиц, которые были предсказаны 16 лет назад.

Факт о наличии экзотических квазичастиц в квантовых материалах не является новостью для ученых. Например, ранее обнаруженные в графене (одноатомный слой углерода) дираковские фермионы — это квазичастицы (или, в теоретической физике, решения уравнения Дирака), которые ведут себя как безмассовые или почти безмассовые частицы, движущиеся с близкими к скорости света скоростями, стали отправной точкой для поиска других необычных состояний материи.

В частности, в 2008-2009 годах физики выдвинули гипотезу о возможности наблюдения полудираковских фермионов в специфических условиях, где они будут вести себя как безмассовые частицы в одном направлении, а в перпендикулярном — приобретать массу. Однако их обнаружение на практике оказалось весьма сложным, и до сих пор это никому не удалось.

Теперь авторы нового исследования, представленного в журнале Physical Review X, смогли зафиксировать их в топологическом полуметалле цирконий-силицид-сульфиде (ZrSiS). Изначально физики из Пенсильванского и Колумбийского университетов (оба — в США) исследовали оптические свойства этого материала, но полученные данные оказались настолько необычными, что потребовалась новая интерпретация.

«Это было совершенно неожиданно. Мы не искали полудираковские фермионы и случайно наткнулись на первое экспериментальное подтверждение существования этих необычных квазичастиц», — поделился ведущий автор исследования Иньмин Шао (Yinming Shao).

Чтобы получить детальную картину квантовых состояний внутри ZrSiS (его, как и графен, можно разделить на очень тонкие слои), команда под руководством Шао применила метод магнитно-оптической спектроскопии: образец охладили до температуры чуть выше абсолютного нуля и поместили в мощное магнитное поле (примерно в 900 тысяч раз сильнее земного). Затем на образец направили инфракрасный свет.

Выяснилось, что при наложении магнитного поля энергетические уровни электронов квантуются в так называемые уровни Ландау (энергетические уровни заряженных частиц в магнитном поле) — это характерный признак полудираковских фермионов (то есть особая зависимость переходов между уровнями Ландау от магнитного поля по закону B^(2/3)).

Дело в том, что внутри ZrSiS формируются так называемые нодальные линии — сложные цепочки пересечений энергетических уровней в пространстве импульсов. Когда две такие линии пересекаются, возникают особые точки с уникальной энергетической структурой (дираковские точки), превращая локальные электронные состояния в полудираковские фермионы: вдоль одной координаты их энергетический спектр линейный (безмассовый), а вдоль другой — квадратичный (массивный).

Подобно тому, как графен обещает произвести революцию в электронике, это открытие может привести к созданию новых квантовых устройств. Авторы научной работы отметили, что их результаты — первый шаг к пониманию того, как именно эти квазичастицы взаимодействуют между собой. Дальнейшие исследования помогут выяснить, как использовать полудираковские фермионы для создания принципиально новых электронных компонентов.