科學家首次觀察到半狄拉克費米子

美國賓夕法尼亞州立大學和哥倫比亞大學科學家攜手，首次觀察到一類特殊準粒子——半狄拉克費米子。這類準粒子在朝一個方向移動時擁有質量，而朝另一個方向移動時則失去質量。研究人員表示，對這些準粒子開展深入研究，有望促進下一代電池、傳感器等技術發展。相關論文發表于新一期《物理評論X》雜志。

研究示意圖。圖片來源：《物理評論X》

當粒子的能量完全源自其運動時，它就沒有質量。這意味著它本質上是以光速傳播的純能量，如以光速移動的光子就被認為沒有質量。阿爾伯特·愛因斯坦的狹義相對論也指出，任何以光速運動的物體都不可能擁有質量。

然而研究團隊表示，在固體材料中，一些行動一致的粒子（也被稱為準粒子）的“一舉一動”可能與單個粒子截然不同。有些準粒子僅在朝一個方向移動時才擁有質量，而朝另一個方向移動時沒有質量。他們將這些奇特的粒子命名為半狄拉克費米子。

2008年和2009年，來自法國南巴黎大學和美國加州大學戴維斯分校等機構的科學家，首次從理論上預言了半狄拉克費米子的存在。

在最新研究中，賓夕法尼亞州立大學物理學助理教授邵垠銘等人，在名為鋯硅硫化物（ZrSiS）的半金屬材料晶體內，首次窺見了半狄拉克費米子的“真容”。

研究團隊在位于佛羅里達州的國家高磁場實驗室進行了實驗。該實驗室混合磁體產生的持續磁場可達地球磁場的90萬倍，能使水滴等小物體懸浮起來。

在實驗中，研究團隊將一塊鋯硅硫化物冷卻至-268.9℃左右——僅比絕對零度高幾度，然后將其置于實驗室強大的磁場中，并用紅外光照射，隨后分析材料反射的光。借助這一名為磁光光譜學的技術，邵垠銘等人觀測到了鋯硅硫化物晶體內準粒子的性質。