Por primera vez, los científicos han observado un conjunto de partículas, también conocidas como cuasipartículas, que carecen de masa en una dirección pero tienen masa en la otra. La cuasipartícula, conocida como fermión cuasi-Dirac, se teorizó por primera vez hace 16 años, pero sólo recientemente se observó dentro de un cristal de un material semimetálico llamado ZrSiS. Según los investigadores, la observación de cuasipartículas abre la puerta a futuros avances en una serie de tecnologías emergentes, desde baterías hasta sensores.
El equipo, dirigido por científicos de Penn State y la Universidad de Columbia, publicó recientemente sus hallazgos en la revista Exploración física x.
“Esto fue completamente inesperado”, dijo Yinming Shao, profesor asistente de física en Penn State y autor principal del artículo. “Cuando empezamos a trabajar con este material ni siquiera buscábamos un fermión cuasi-Dirac, pero veíamos firmas que no entendíamos, y resulta que hicimos las primeras observaciones de estas cuasipartículas salvajes. que a veces se mueven como si tuvieran su masa y a veces pasan como si no.
Una partícula no puede tener masa cuando su energía se deriva enteramente de su movimiento, lo que significa que es esencialmente energía pura que viaja a la velocidad de la luz. Por ejemplo, un fotón o una partícula de luz se considera sin masa porque viaja a la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, cualquier cosa que viaje a la velocidad de la luz no puede tener masa. En los sólidos, el comportamiento colectivo de muchas partículas, también conocidas como cuasipartículas, puede comportarse de manera diferente al de las partículas individuales, lo que en este caso dio lugar a partículas con masa en una sola dirección, explicó Shao.
Los fermiones Semi-Dirac fueron teorizados por primera vez en 2008 y 2009 por varios grupos de investigadores, incluidos científicos de la Universidad Paris Sud en Francia y la Universidad de California en Davis. Los teóricos predijeron que podrían tener cuasipartículas con propiedades de cambio de masa dependiendo de su dirección de movimiento: que parecerían sin masa en una dirección pero tendrían masa cuando se movieran en la otra.
Dieciséis años después, Shao y sus colegas observaron accidentalmente las hipotéticas cuasipartículas mediante un método llamado espectroscopia magnetoóptica. La técnica consiste en hacer brillar luz infrarroja sobre un material mientras se somete a un fuerte campo magnético y analizar la luz reflejada por el material. Shao y sus colegas querían observar las propiedades de las cuasipartículas dentro de cristales plateados de ZrSiS.
El equipo llevó a cabo sus experimentos en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Florida. El imán híbrido del laboratorio produce el campo magnético sostenido más fuerte del mundo, aproximadamente 900.000 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra. El campo es tan fuerte que puede volar objetos tan pequeños como gotas de agua.
Los investigadores calentaron un trozo de ZrSiS a -452 grados Fahrenheit (sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto, la temperatura más baja posible) y luego lo expusieron al fuerte campo magnético del laboratorio mientras lo golpeaban con luz infrarroja para ver qué interacciones cuánticas hay dentro del material. revelado sobre.
“Estábamos estudiando la respuesta óptica, cómo los electrones dentro de este material responden a la luz, y luego estudiamos las señales de luz para ver si había algo interesante sobre el material en sí, la física subyacente”, dijo Shao. “En este caso, vimos muchas propiedades que esperaríamos en un cristal semimetálico, y luego sucedieron todas estas otras cosas que eran simplemente confusas”.
Cuando se aplica un campo magnético a un material, los niveles de energía de los electrones dentro del material se miden en niveles discretos llamados niveles de Landau, explica Shao. Los niveles sólo pueden tener valores fijos, como subir unas escaleras sin escalones cortos. La brecha entre estos niveles depende de la masa del electrón y la fuerza del campo magnético, por lo que a medida que aumenta el campo magnético, los niveles de energía de los electrones deberían aumentar en una cierta cantidad en función de su masa, pero en este caso, no lo hacen.
Utilizando imanes de alta potencia en Florida, los investigadores descubrieron que la fuerza de la transición del nivel de Landau en los cristales de ZrSiS sigue un patrón completamente diferente de dependencia de la fuerza del campo magnético. Hace muchos años, los teóricos identificaron este patrón como la “ley de potencia B^(2/3),” la firma clave de los fermiones cuasi-Dirac.
Para comprender el extraño comportamiento que observaron, los físicos experimentales se asociaron con físicos teóricos para desarrollar un modelo que describa la estructura electrónica de ZrSiS. Se centraron específicamente en las trayectorias por las que los electrones pueden moverse y cruzarse para investigar cómo los electrones dentro del material pierden su masa cuando se mueven en una dirección pero no en la otra.
“Piense en la partícula como un tren en miniatura limitado por una red de vías, que es la estructura electrónica subyacente del material”, dijo Shao. “Ahora, en ciertos puntos las vías se cruzan, por lo que nuestro tren de partículas se mueve a lo largo de su vía rápida a la velocidad de la luz, pero luego llega a una intersección y tiene que cambiar a una vía perpendicular. De repente, encuentra resistencia, tiene masa. ‘pista’ del objeto Las partículas tienen toda la energía o la masa dependiendo de su movimiento a lo largo de la línea.
El análisis del equipo muestra la presencia de fermiones semi-Dirac en los puntos de cruce. Específicamente, parecen sin masa cuando se mueven en dirección lineal, pero tienden a tener masa cuando se mueven en dirección perpendicular. Shao explicó que el ZrSiS es un material en capas, muy parecido al grafito, compuesto de capas de átomos de carbono que pueden exfoliarse en láminas de grafeno de un átomo de espesor. El grafeno es un material importante en tecnologías emergentes que incluyen baterías, supercondensadores, células solares, sensores y dispositivos biomédicos.
“Es un material en capas, lo que significa que una vez que entendamos cómo cortar una sola capa de este compuesto, podremos usar la energía de los fermiones cuasi-Dirac para controlar sus propiedades con la misma precisión que el grafeno”, dijo Shao. “Pero la parte más emocionante de este experimento es que los datos aún no están completamente explicados. Hay muchos misterios sin resolver en lo que observamos, por lo que estamos trabajando para comprenderlo”.
Otros investigadores de Penn State son Seung Huat Lee, profesor asistente de investigación sobre crecimiento de cristales en masa; Yanglin Zhu, investigador postdoctoral; y Zhiqiang Mao, profesor de física, ciencia e ingeniería de materiales y química. Dmitri Basov, profesor de física en la Universidad de Columbia, fue coautor principal del artículo. Otros coautores son Ji Wang de la Universidad de Temple; Seongfil Moon de la Universidad Estatal de Florida y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético; Mikhailo Ozerov, David Graf y Dmitry Smirnov del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético; AN Rudenko y MI Cutnelson de la Universidad de Radboud (Países Bajos); Jonah Herzog-Arbeitman y B. Andrei Bernevig de la Universidad de Princeton; Zhiyuan Sun de la Universidad de Harvard; y Raquel Quiroz y Andrew J. Millis de la Universidad de Columbia.
La Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Simmons financiaron los aspectos de esta investigación de Penn State.