In einer bahnbrechenden Entdeckung haben Forscher der Universität Pennsylvania und der Columbia University erstmals Semi-Dirac-Fermionen beobachtet, eine Art von Quasipartikel, die vor 16 Jahren theoretisch beschrieben wurde. Dies ist das erste Mal, dass diese rätselhaften Partikel, die in einer Richtung eine effektive Masse und in der entgegengesetzten Richtung keine Masse aufweisen, direkt gesehen wurden. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review X veröffentlicht.
Diese Semi-Dirac-Fermionen stellen das herkömmliche Verständnis von Masse in Partikeln in Frage. Laut Einsteins Theorie der speziellen Relativität kann kein Objekt, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, Masse besitzen. In bestimmten Festkörpern können jedoch kollektive Verhaltensweisen von Partikeln dazu führen, dass Quasipartikel entstehen, die sich je nach Bewegungsrichtung unterschiedlich verhalten.
Die Entdeckung wurde zufällig gemacht, während eine Technik namens magneto-optische Spektroskopie angewendet wurde. Die Forscher strahlten helles Infrarotlicht auf ein silberfarbenes Material unter einem starken Magnetfeld und enthüllten die einzigartigen Eigenschaften dieser Quasipartikel. Der leitende Forscher Yinming Shao bemerkte: "Wir haben nicht einmal nach einem Semi-Dirac-Fermion gesucht, als wir mit diesem Material zu arbeiten begannen; wir suchten nach Signaturen, die wir nicht verstanden. Es stellte sich heraus, dass diese Signaturen in der Tat die erste Beobachtung dieser Quasipartikel waren, die sich manchmal so verhalten, als hätten sie Masse, und manchmal so, als hätten sie keine."
Bemerkenswerterweise wurden die Semi-Dirac-Fermionen in einem Material namens ZrSiS beobachtet, das eine geschichtete Struktur ähnlich der von Graphit aufweist. Das Team glaubt, dass es, sobald es herausfindet, wie man eine einzige Schicht dieses Verbindungsstoffs isoliert, die Fähigkeiten der Semi-Dirac-Fermionen nutzen könnte, was potenziell eine präzise Kontrolle ihrer Eigenschaften ermöglicht, ähnlich wie Graphen in der Elektronik verwendet wird.
Obwohl diese erste Beobachtung spannende Möglichkeiten eröffnet, bleiben viele Fragen zum Verhalten dieser Partikel offen. Die Implikationen dieser Forschung reichen über die theoretische Physik hinaus und deuten auf potenzielle Anwendungen in elektronischen Geräten und Quantentechnologien hin.