מדענים צפו לראשונה בקווזי-חלקיק בעל מסה רק כאשר הוא נע בכיוון אחד, בעוד שהוא נותר חסר מסה כאשר הוא נע בכיוון אחר. קוואזי-חלקיקים אלה, הנקראים פרמיונים למחצה דיראק נחזו תיאורטית לראשונה לפני 16 שנים, אך התגלו רק לאחרונה בגבישים של החומר החצי מתכתי ZrSiS. הגילוי עשוי לפתוח אפשרויות חדשות בפיתוח טכנולוגיות לסוללות, חיישנים והתקנים אחרים.
המחקר היה מבוצע על ידי מדענים מאוניברסיטת פנסילבניה ואוניברסיטת קולומביה בשיטת ספקטרוסקופיה מגנטו-אופטית. שיטה זו כוללת הקרנת חומר באור אינפרא אדום תחת שדה מגנטי חזק וניתוח האור המוחזר. הניסויים בוצעו במעבדה הלאומית לשדה מגנטי גבוה בפלורידה, שמייצרת את אחד השדות המגנטיים הקבועים החזקים ביותר בעולם, חזקים פי 900 אלף מזה של כדור הארץ.
לצורך הניסויים, החוקרים קיררו דגימות ZrSiS ל-452 מעלות צלזיוס, רק כמה מעלות מעל האפס המוחלט, והקרינו אותן באור אינפרא אדום בשדה מגנטי חזק. במקביל, התגלו אינטראקציות קוונטיות, המצביעות על נוכחותם של פרמיונים למחצה דיראק. קוואזי-חלקיקים אלה מפגינים התנהגות ייחודית: כאשר נעים לאורך מסלול אחד, הם מתנהגים כמו חלקיקים ללא מסה, אך כאשר משנים כיוון הם רוכשים מסה.
המאפיינים שהתגלו מאושרים על ידי מודל תיאורטי המתאר את המבנה האלקטרוני של ZrSiS. מבנה זה דומה לרשת של שבילים, שבה אלקטרונים נעים כאילו על "מסילות". בנקודות חיתוך מסוימות של המסלול משתנה תנועתם, מה שמוביל לשינוי בהתנהגות – מתנועה במהירות האור לתנועה עם מסה.
פרמיונים למחצה דיראק נחזו בשנת 2008, כאשר מדענים הציעו שלקוואזי-חלקיקים יכולה להיות מסה שתלויה בכיוון התנועה שלהם. התצפית בתבנית "B²/₃" המתארת את התלות של רמות האנרגיה ב-ZrSiS בשדה המגנטי היוותה אישור מרכזי לקיומן.
לחומר זה מבנה שכבות הדומה לגרפיט, מה שמאפשר ליצור שכבות דקות במיוחד בדומה לגרפן. גרפן כבר נמצא בשימוש במכשירי היי-טק שונים כמו קבלי-על וחיישנים ביו-רפואיים. החוקרים מאמינים שניתן ליישם גישה דומה ל-ZrSiS, המאפשרת לשלוט במאפיינים של פרמיונים למחצה דיראק בדיוק רב.
עם זאת, היבטים רבים של התנהגותם של חלקיקים אלה עדיין נותרו בגדר תעלומה, ומדענים ממשיכים לחקור את תכונותיהם על מנת להבין את כל המנגנונים העומדים בבסיס התופעות הנצפות.
3 תגובות
qn9b0w
qn9b0w
Thanks for sharing. I read many of your blog posts, cool, your blog is very good.