Praėjus maždaug 16 metų po to, kai pirmą kartą buvo numatyta, kad tai įmanoma, mokslininkai padarė patenkinamą ir intriguojantį fizikos atradimą: kvazidalelę (dalelių grupę, kuri elgiasi kaip viena), kurios efektyvi masė yra tik judant viena kryptimi.
Fizikoje masė paprastai reiškia dalelių savybę, susijusią su tokiais dalykais kaip jų energija ir atsparumas judėjimui. Tačiau ne visa masė yra vienoda – kai kurios, pavyzdžiui, apibūdina dalelės energiją ramybės būsenoje, o masė taip pat gali atsižvelgti į dalelės judėjimo energiją.
Šiuo atveju efektyvioji masė apibūdina kvazidalelės reakciją į jėgas, kurios skiriasi priklausomai nuo to, ar medžiaga juda aukštyn ir žemyn, ar pirmyn ir atgal.
Nors įprastos kvazidalelės turi tokią pačią masę, nesvarbu, kokia jų judėjimo kryptis, čia tiriamas pusiau Dirako fermionas (kad būtų suteiktas jo techninis pavadinimas), atrodo, nevaidina įprastų taisyklių.
Tai atradimas, galintis iš esmės pakeisti tokiose srityse kaip kvantinė fizika ir elektroniniai jutikliai.
Naująją kvazidalelę tarptautinė mokslininkų komanda aptiko pusiau metaliniame ZrSiS kristale, atšaldytame iki -452 laipsnių pagal Farenheitą (arba -269 laipsnių pagal Celsijų) – ekstremalios sąlygos itin retai kvazidalelei.

Dalelės paprastai gali būti apibūdinamos kaip bozonai arba fermionai, atsižvelgiant į savybės, vadinamos sukimu, matą. Dirako fermionai – tiek tipinės, tiek kvazidalelės formos – turi savybių, kurios būna priešingų dalelių ir antidalelių formų.
Šis pusiau Dirako fermionas, aprašytas naujame tyrime, yra keistas gyvūnas, kuris iki šiol egzistavo tik teoriškai, veikiantis pagal labai skirtingas energijos gaires statmenomis kryptimis.
„Tai buvo visiškai netikėta“, – sako kondensuotųjų medžiagų fizikas Yinmingas Shao iš Pensilvanijos valstijos universiteto. „Pradėję dirbti su šia medžiaga mes net neieškojome pusiau Dirako fermiono, bet matėme parašus, kurių nesupratome.
„Pasirodo, mes pirmą kartą pastebėjome šias laukines kvazidaleles, kurios kartais juda taip, lyg turėtų masės, o kartais juda taip, lyg jos neturi.
Atradę mokslininkai naudojo mokslinės analizės metodą, žinomą kaip magneto-optinė spektroskopija. Čia medžiagos tiriamos per infraraudonųjų spindulių šviesos atspindžius, kuriuos jos skleidžia, veikiamos stipraus magnetinio lauko.
Ir mes turime omenyje stiprų: maždaug 900 000 kartų stipresnį už Žemės magnetinį lauką, Nacionalinės didelio magnetinio lauko laboratorijos Floridoje sutikimu. Tai yra egzotiškos sąlygos, kurias mokslininkai naudoja tirdami rečiausias sąveikas mažiausiu mastu.
Iš ten buvo stebimas ir identifikuotas pusiau Dirako fermiono aktyvumas, naudojant tam tikrą skaitmeninį modeliavimą: jis yra bemasis viena kryptimi (visa energija apibūdinama jo judėjimu), bet turi efektyvią masę kita. Ne fizikų laimei, mokslininkai pateikia analogiją.
„Įsivaizduokite, kad dalelė yra mažas traukinys, apribotas bėgių tinklu, kuris yra pagrindinė medžiagos elektroninė struktūra“, – sako Shao.
„Dabar tam tikruose taškuose bėgiai susikerta, todėl mūsų dalelių traukinys juda savo greitu keliu, šviesos greičiu, bet tada atsitrenkia į sankryžą ir turi pereiti į statmeną vėžę.
„Staiga ji patiria pasipriešinimą, turi masę. Dalelės yra arba visos energijos, arba turi masę, priklausomai nuo jų judėjimo pagal medžiagos „takus” kryptį.”
Tai reikšmingas momentas fizikoje, įskaitant tuos, kurie pirmą kartą iškėlė hipotezę apie reiškinius 2008 m. Tačiau čia dar reikia daug ką ištirti, įskaitant supratimą, kaip iš daugiasluoksnio ZrSiS kristalo išgauti pavienius sluoksnius, prieš pradėdami galvoti apie visas jo pasekmes ir bet kokį praktinį panaudojimą.
„Labiausiai jaudinanti šio eksperimento dalis yra ta, kad duomenų dar negalima visiškai paaiškinti“, – sako Shao.
„Tai, ką mes pastebėjome, yra daug neišspręstų paslapčių, todėl mes stengiamės tai suprasti.
Tyrimas buvo paskelbtas m Fizinė apžvalga X.