دانشمندان به‌طور تصادفی ذره‌ای را کشف کرده‌اند که وقتی در یک جهت حرکت می‌کند، جرم دارد، اما هنگام حرکت در جهت‌های دیگری، بدون جرم است. این ذرات که به نام فرمیون‌های نیمه-دیراک (semi-Dirac fermions) شناخته می‌شوند، برای اولین بار 16 سال پیش پیش‌بینی شده بودند.
این کشف در یک ماده نیمه‌فلزی به نام ZrSiS (متشکل از زیرکونیوم، سیلیکون و گوگرد) انجام شد، در حالی‌که دانشمندان در حال مطالعه خواص کوازیرذرات (quasiparticles) بودند. کوازیرذرات نتیجه رفتار جمعی بسیاری از ذرات در یک ماده جامد هستند.
یینمینگ شائو، نویسنده اصلی این مطالعه گفت:
این کاملاً غیرمنتظره بود، ما حتی به دنبال یک فرمیون نیمه-دیراک نبودیم وقتی که کار روی این ماده را شروع کردیم، اما علائمی را مشاهده نمودیم که نمی‌توانستیم توضیح دهیم و معلوم شد که ما اولین مشاهده این کوازیرذرات عجیب را داشتیم که گاهی مانند ذرات با جرم حرکت می‌کنند و گاهی مانند ذرات بدون جرم!
ممکن است این پدیده غیرممکن به نظر برسد؛ چطور ممکن است یک ذره به‌راحتی جرم خود را افزایش و کاهش دهد؟ اما این موضوع به فرمول معروفی که همه شنیده‌اند، اما شاید کمتر درک کنند، برمی‌گردد: E = mc². این فرمول رابطه بین انرژی (E) و جرم (m) یک ذره را با مربع سرعت نور (c) توصیف می‌کند.
بر اساس نظریه نسبیت خاص اینشتین، هیچ ذره‌ای که جرم داشته باشد نمی‌تواند به سرعت نور برسد، زیرا برای شتاب دادن آن به این سرعت به مقدار بی‌نهایت انرژی نیاز است. اما نکته جالبی رخ می‌دهد اگر این فرمول را معکوس کنیم: اگر یک ذره بدون جرم سرعت خود را از سرعت نور کاهش دهد، در واقع جرم به دست می‌آورد.
این دقیقاً همان چیزی است که در اینجا اتفاق می‌افتد. وقتی کوازیرذرات در داخل کریستال‌های ZrSiS در امتداد یک بعد حرکت می‌کنند، با سرعت نور حرکت کرده و بدون جرم هستند. اما به محض اینکه تلاش کنند در جهتی دیگر حرکت کنند، با مقاومت مواجه می‌شوند، سرعتشان کاهش می‌یابد و جرم به دست می‌آورند.
یینمینگ شائو توضیح می‌دهد:
تصور کنید که این ذره مانند یک قطار کوچک است که به شبکه‌ای از ریل‌ها محدود شده و این ریل‌ها ساختار الکترونیکی ماده را نشان می‌دهند. حالا، در نقاط خاصی ریل‌ها با یکدیگر تلاقی دارند، بنابراین قطار در حال حرکت بر روی ریل سریع خود با سرعت نور است. اما وقتی به یک تقاطع می‌رسد و باید به یک ریل عمودی تغییر مسیر دهد، ناگهان با مقاومت روبه‌رو می‌شود و جرم پیدا می‌کند. حرکت ذرات بسته به جهتشان در این شبکه از ریل‌های ماده، یا کاملاً انرژی است یا جرم دارد.
محققان در ابتدا قصد داشتند برهم‌کنش‌های کوانتومی در این ماده را با مشاهده نحوه پاسخ الکترون‌های آن به نور بررسی کنند. آنها دریافتند که سطح انرژی الکترون‌ها الگوی غیرمنتظره‌ای را با افزایش شدت میدان مغناطیسی دنبال می‌کند، که در نهایت به‌عنوان یکی از پیش‌بینی‌های اصلی فرمیون‌های نیمه-دیراک شناخته شد.
با وجود پیچیدگی‌های فیزیکی بالا، این تیم معتقد است که این کشف می‌تواند در نهایت زمینه‌ای برای توسعه کاربردهای جدیدی از ماده ZrSiS مشابه گرافن فراهم کند.
شائو می‌گوید:
این ماده لایه‌ای است، به این معنی که اگر بتوانیم راهی برای برش یک لایه منفرد از این ترکیب پیدا کنیم، می‌توانیم از قدرت فرمیون‌های نیمه-دیرک استفاده کرده و ویژگی‌های آن را با همان دقت گرافن کنترل کنیم. اما هیجان‌انگیزترین بخش این آزمایش، داده‌هایی است که هنوز به طور کامل قابل توضیح نیست. بسیاری از اسرار حل‌نشده در آنچه مشاهده کردیم وجود دارد، و همین چیزی است که ما در حال تلاش برای درک آن هستیم.
این تحقیق در مجله Physical Review X منتشر شده است.
منبع: Newatlas
