Квантовые сюрпризы: 16 лет ожидания завершились случайным открытием уникальных квазичастиц

Квантовые взаимодействия внутри материалов могут вызывать появление необычных явлений. Например, 16 лет назад ученые предсказали существование полудираковских фермионов — квазичастиц, изменяющих массу в зависимости от направления движения. Их удалось обнаружить в слоистом материале только сейчас, и это произошло случайно. Это открытие может способствовать разработке новых материалов с уникальными оптическими характеристиками.

Фото: МИСИС by Мария Бродская, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

СВЧ-микроскоп

Изучение экзотических квазичастиц в квантовых материалах не ново для научного сообщества. Например, дираковские фермионы, найденные в графене, квазичастицы, которые ведут себя как безмассовые или почти безмассовые частицы, движущиеся почти со скоростью света, стали основой для поиска других необычных состояний материи. В 2008–2009 годах ученые предположили, что в определенных условиях можно наблюдать полудираковские фермионы, которые будут безмассовыми в одном направлении и массивными в другом. Практическое обнаружение этих квазичастиц оказалось сложным и до сих пор не было достигнуто.

Исследователи сообщают об обнаружении этих квазичастиц в топологическом полуметалле цирконий-силицид-сульфиде (ZrSiS). Исследователи из Пенсильванского и Колумбийского университетов первоначально изучали оптические свойства материала, но результаты были настолько необычны, что потребовали нового объяснения. Исследователи неожиданно наткнулись на первые экспериментальные доказательства существования полудираковских фермионов.

Для детального анализа квантовых состояний внутри ZrSiS команда использовала метод магнитно-оптической спектроскопии. Образец был охлажден до температуры, близкой к абсолютному нулю, и помещен в мощное магнитное поле, в 900 тысяч раз сильнее земного. Затем на него направили инфракрасный свет.

Оказалось, что при наложении магнитного поля энергетические уровни электронов формируют уровни Ландау, что является характерным признаком полудираковских фермионов. Внутри ZrSiS образуются нодальные линии, и при их пересечении возникают дираковские точки, превращающие локальные электронные состояния в полудираковские фермионы.

Подобно тому, как графен мог изменить электронику, это открытие может привести к созданию новых квантовых устройств. Авторы исследования отметили, что их результаты — это первый шаг к пониманию взаимодействий этих квазичастиц. Будущие исследования помогут использовать полудираковские фермионы для создания новых электронных компонентов.

Уточнения

Уровни Ландау — энергетические уровни заряженной частицы в магнитном поле.