Фізики підтвердили існування квазічастинок, передбачених 16 років тому.
Існування екзотичних квазічастинок у квантових матеріалах не є новиною для вчених. Наприклад, раніше в графені (одноматомному шарі вуглецю) були виявлені дироківські ферміони — квазічастинки (або, в теоретичній фізиці, рішення рівняння Дірака), які поводяться подібно до безмасових або майже безмасових частинок, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Це стало відправною точкою для пошуку інших незвичайних станів матерії.
Зокрема, у 2008-2009 роках фізики припустили, що в особливих умовах зможуть спостерігати полудироківські ферміони, які при русі в одному напрямку поводитимуться як безмасові частинки, а в перпендикулярному — набирати масу. Виявити їх на практиці було складно, і досі нікому це не вдалося.
Тепер автори нового дослідження, представленого в журналі Physical Review X, зафіксували їх у топологічному полуметалі цирконій-силіцид-сульфід (ZrSiS). Спочатку фізики з Пенсильванського та Колумбійського університетів (обидва — у США) вивчали оптичні властивості матеріалу, однак дані виявилися настільки дивними, що знадобилася нова інтерпретація.
«Це було абсолютно несподівано. Ми не шукали полудироківські ферміони і випадково натрапили на перше експериментальне свідчення існування цих незвичайних квазічастинок», — розповів провідний автор дослідження Інмін Шао (Yinming Shao).
Щоб отримати детальну картину квантових станів всередині ZrSiS (його, подібно до графену, можна розділити на тонкі шари), команда під керівництвом Шао застосувала метод магнітно-оптичної спектроскопії: зразок охолодили до температури трохи вище абсолютного нуля і помістили в потужне магнітне поле (приблизно в 900 тисяч разів сильніше земного). Потім на зразок направили інфрачервоне світло.
Виявилося, що при накладанні магнітного поля енергетичні рівні електронів квантуються в так звані рівні Ландау (енергетичні рівні заряджених частинок у магнітному полі) — це характерний признак полудироківських ферміонів (тобто особлива залежність переходів між рівнями Ландау від магнітного поля за законом B^(2/3)).
Річ у тім, що всередині ZrSiS формуються так звані нодові лінії — складні ланцюги перетинів енергетичних рівнів у просторі імпульсів. Коли дві такі лінії перетинаються, виникають особливі точки з унікальною енергетичною структурою (дироківські точки), перетворюючи локальні електронні стани в полудироківські ферміони: вздовж однієї координати їх енергетичний спектр лінійний (безмасовий), а вздовж іншої — квадратичний (масивний).
Подібно до того, як графен обіцяє революцію в електроніці, це відкриття може призвести до створення нових квантових пристроїв. Автори наукової роботи відзначили, що їхні результати — перший крок до розуміння того, як саме ці квазічастинки взаємодіють між собою. Подальші дослідження допоможуть зрозуміти, як використовувати полудироківські ферміони для створення принципово нових електронних компонентів.