Квантовые взаимодействия электронов внутри материалов могут привести к возникновению необычных феноменов. Например, 16 лет назад физики предсказали существование так называемых полудираковских фермионов — квазичастиц, изменяющих свою массу в зависимости от направления движения. Однако обнаружить их в слоистом материале удалось только сейчас, причем случайно. Это может привести к созданию новых материалов с уникальными оптическими свойствами.
Изображение структуры топологического полуметалла цирконий-силицид-сульфиде (ZrSiS). Полудираковский фермион отмечен черной точкой в центре / © Yinming Shao / Penn State Physical Review X (2024).
Существование экзотических квазичастиц в квантовых материалах не новость для ученых. Например, ранее обнаруженные в графене (одноатомном слое углерода) дираковские фермионы — квазичастицы (или, в теоретической физике, решения уравнения Дирака), которые ведут себя подобно безмассовым или почти безмассовым частицам, движущимся со скоростями, близкими к скорости света, стали отправной точкой для поиска других необычных состояний материи.
В частности, в 2008-2009 годах физики предположили, что в особых условиях смогут наблюдать полудираковские фермионы, которые при движении в одном направлении будут вести себя как безмассовые частицы, а в перпендикулярном — набирать массу. Обнаружить их на практике было сложно и до сих пор никому не удавалось.
Теперь авторы нового исследования, представленного в журнале Physical Review X, зафиксировали их в топологическом полуметалле цирконий-силицид-сульфиде (ZrSiS). Изначально физики из Пенсильванского и Колумбийского университетов (оба — в США) изучали оптические свойства материала, однако данные оказались настолько странными, что потребовалась новая интерпретация.
«Это было совершенно неожиданно. Мы не искали полудираковские фермионы и случайно наткнулись на первое экспериментальное свидетельство существования этих необычных квазичастиц», — рассказал ведущий автор исследования Иньмин Шао (Yinming Shao).
Чтобы получить детальную картину квантовых состояний внутри ZrSiS (его, подобно графену, можно разделить на тончайшие слои), команда под руководством Шао применила метод магнитно-оптической спектроскопии: образец охладили до температуры чуть выше абсолютного нуля и поместили в мощное магнитное поле (примерно в 900 тысяч раз сильнее земного). Затем на образец направили инфракрасный свет.
Оказалось, при наложении магнитного поля энергетические уровни электронов квантуются в так называемые уровни Ландау (энергетические уровни заряженных частиц в магнитном поле) — это характерный признак полудираковских фермионов (то есть особая зависимость переходов между уровнями Ландау от магнитного поля по закону B^(2/3)).
Дело в том, что внутри ZrSiS формируются так называемые нодальные линии — замысловатые цепочки пересечений энергетических уровней в пространстве импульсов. Когда две такие линии пересекаются, возникают особые точки с уникальной энергетической структурой (дираковские точки), превращая локальные электронные состояния в полудираковские фермионы: вдоль одной координаты их энергетический спектр линейный (безмассовый), а вдоль другой — квадратичный (массивный).
Подобно тому, как графен обещает произвести революцию в электронике, это открытие может привести к созданию новых квантовых устройств. Авторы научной работы отметили, что их результаты — первый шаг к пониманию того, как именно эти квазичастицы взаимодействуют друг с другом. Дальнейшие исследования помогут понять, как использовать полудираковские фермионы для создания принципиально новых электронных компонентов.
