Kvasi-partikkelia, jota kutsutaan puolidirac-fermioksi, on teoretisoitu ensimmäisen kerran 16 vuotta sitten, mutta se on havaittu vasta äskettäin puolimetallisessa materiaalissa nimeltä ZrSiS. Kvasi-partikkelin havaitseminen avaa tien tuleville edistysaskelille monilla nousevilla teknologioilla, akkuista antureihin, tutkijoiden mukaan, jotka tekivät tämän löydön.
Luotto: Yinming Shao / Penn State.
Löydös tehtiin puolimetallimateriaalissa, jolla on erikoisia ominaisuuksia: ZrSiS, joka on kiderakenne, joka koostuu zirkoniumista, piistä ja rikistä. Tämä materiaali omaa kerrosrakenteen, joka on verrattavissa grafiittiin tai kuuluisiin grafeeniin, erittäin ohueen materiaaliin. Sarjassa kokeita, joissa sitä altistettiin voimakkaalle magneettikentälle ja infrapunasäteilylle, kide sisällä olevat elektronit alkoivat käyttäytyä täysin odottamattomalla tavalla. Tutkijat ymmärsivät, että heillä oli käsissään erityinen hiukkanen: puolidirac-fermioni.
Puolidirac-fermioneilla on outo ominaisuus: sen mukaan, mihin suuntaan ne liikkuvat, ne näyttävät välillä olevan massattomia ja välillä "painavia". Tämän ilmiön havainnollistamiseksi tutkijat vertaavat sitä junaan, joka kulkee täyttä vauhtia moottoritiellä. Niin kauan kuin se pysyy tietyssä suunnassa, mikään ei näytä voivan pysäyttää sitä. Mutta jos se vaihtaa suuntaa, se kohtaa vastusta ja vaikuttaa hidastuvan, kuin se tulisi raskaammaksi. Tämä vaihtelu "ilman massaa" ja "massan kanssa" ei ollut koskaan aiemmin havaittu tällä tavalla.
Yinming Shao, tutkimuksen johtaja, johti näitä kokeita tiiminsä kanssa. Alun perin heidän tavoitteensa oli yksinkertaisesti tutkia ZrSiS:n elektronien reaktiota, kun niitä altistettiin kasvavalle magneettikentälle ja infrapunasäteilylle. Mutta kun olosuhteet muuttuivat äärimmäisemmiksi, ilmeni epätavallista käyttäytymistä. Tämä ilmiö johti puolidirac-fermionien tunnistamiseen, vahvistaen yli kymmenen vuotta vanhan teoreettisen ennusteen.
Tämä löytö voisi avata uuden aikakauden materiaalitieteelle. Ymmärtämällä paremmin näitä puolidirac-fermioneita, olisi mahdollista suunnitella materiaaleja, joilla on poikkeuksellisia ominaisuuksia, jotka voisivat mullistaa useita teknologisia aloja. Esimerkiksi ZrSiS:stä inspiroituneet materiaalit voisivat mahdollistaa ohuempien, nopeampien ja tehokkaampien elektronisten komponenttien valmistamisen. Erityisesti ajatellaan uusimman sukupolven akkuja, jotka pystyvät varastoimaan enemmän energiaa pienessä tilassa, tai erittäin herkkiä lääketieteellisiä laitteita.
Yksi ZrSiS:n mielenkiintoisista ominaisuuksista on sen kerrosrakenne, joka helpottaa sen tutkimista ja käsittelyä. Eristämällä erittäin ohuita kerroksia, kuten on tehty grafeenin kanssa, tutkijat toivovat voivansa tutkia tarkemmin puolidirac-fermionien hämmästyttäviä ominaisuuksia. Tämä lähestymistapa voisi mahdollistaa näiden hiukkasten hyödyntämisen uusien teknologioiden luomiseksi, kuten tehokkaampien kvanttitietokoneiden tai antureiden, jotka pystyvät havaitsemaan ympäristönsä äärettömiä vaihteluita.
Vaikka tämä edistysaskel merkitsee tärkeää vaihetta, monia kysymyksiä jää edelleen. Miksi nämä puolidirac-fermionit käyttäytyvät näin? Mitä muita yllätyksiä ne voisivat tarjota tutkijoille? Ja ennen kaikkea, miten niitä voitaisiin tehokkaasti hyödyntää käytännön sovelluksissa? Nämä ovat mysteerejä, joita fyysikot pyrkivät nyt ratkaisemaan.
Puolidirac-fermionien löytö havainnollistaa jälleen, kuinka paljon materiaalifysiikka on jatkuvassa kehityksessä. Tämä outo ilmiö, joka havaittiin ensimmäistä kertaa ZrSiS:ssä, voisi mullistaa nykyiset tietomme ja avata tien innovaatioille, joita on vielä vaikea kuvitella. Tulevat vuodet ovat ratkaisevia näiden hiukkasten potentiaalin ymmärtämiseksi ja sen näkemiseksi, miten ne voisivat lopulta parantaa arkipäivän teknologioitamme. Tämä tieteellinen edistysaskel, yhtä salaperäinen kuin vaikuttava, muistuttaa meitä siitä, että aine ei ole vielä paljastanut kaikkia salaisuuksiaan.