在ZrSiS晶体中发现了半狄拉克费米子，在一个方向上无质量，在另一个方向有质量，这为技术和量子突破提供了令人兴奋的潜力。
科学家们第一次观察到一种被称为“半狄拉克费米”的准粒子，它的行为是独一无二的：它在一个方向上运动时没有质量，但在另一个方向上运动时却有质量。这种准粒子最早是在16年前提出的理论，最近在一种被称为ZrSiS的半金属材料的晶体中被发现。研究人员认为，这一发现可以为电池和传感器等新兴技术的发展铺平道路。
由宾夕法尼亚州立大学和哥伦比亚大学的科学家领导的研究小组在《物理评论X》杂志上发表了他们的研究结果。
“这完全出乎意料，”宾夕法尼亚州立大学物理学助理教授、该论文的第一作者邵银明（音译）说。“当我们开始研究这种材料时，我们甚至没有在寻找半狄拉克费米子，但我们看到了我们不理解的特征 —— 事实证明，我们首次观察到这些野生准粒子，它们有时像有质量一样运动，有时像没有质量一样运动。”
什么是半狄拉克费米子？
当一个粒子的能量完全来自它的运动时，它可以没有质量，这意味着它本质上是以光速传播的纯能量。例如，光子或光粒子被认为是无质量的，因为它以光速运动。根据爱因斯坦的狭义相对论，任何以光速运动的东西都不可能有质量。邵教授解释说，在固体材料中，许多粒子（也称为准粒子）的集体行为可能与单个粒子的行为不同，在这种情况下，粒子只在一个方向上具有质量。
半狄拉克费米子的理论最早是在2008年和2009年由几个研究小组提出的，其中包括来自法国巴黎南大学和加州大学戴维斯分校的科学家。理论学家预测，准粒子可能会根据它们的运动方向而具有质量转移的特性 —— 它们在一个方向上看起来没有质量，但在另一个方向上运动时却有质量。
16年后，邵教授和他的合作者通过一种叫做磁光谱学的方法意外地观察到了假设的准粒子。该技术涉及到将红外光照射在材料上，同时材料受到强磁场的影响，并分析材料反射的光。邵教授和他的同事们想要观察ZrSiS银色晶体中准粒子的性质。
磁光谱学的偶然发现
研究小组在佛罗里达州的国家强磁场实验室进行了实验。该实验室的混合磁铁创造了世界上最强大的持续磁场，大约是地球磁场的90万倍。磁场非常强，可以使水滴等小物体悬浮起来。
研究人员将一块ZrSiS冷却到零下452华氏度（仅比绝对零度高几度，这是可能的最低温度），然后将其暴露在实验室的强大磁场中，同时用红外光照射它，看看它揭示了材料内部的量子相互作用。
邵教授说：“我们正在研究光学响应，即这种材料内部的电子如何对光做出反应，然后我们研究来自光的信号，看看这种材料本身是否有什么有趣的地方，关于它的潜在物理特性。”“在这种情况下，我们在半金属晶体中看到了许多我们期望的特征，然后所有这些其他的事情都发生了，这绝对是令人困惑的。”
邵教授解释说，当磁场作用于任何材料时，该材料内部的电子能级就会量子化成称为朗道能级的离散能级。关卡只能有固定值，就像爬一组楼梯，中间没有小台阶。这些能级之间的间隔取决于电子的质量和磁场的强度，所以随着磁场的增加，电子的能级应该增加一定数量，这完全取决于它们的质量 —— 但在这种情况下，它们没有。
利用佛罗里达的高功率磁铁，研究人员观察到ZrSiS晶体中朗道能级跃迁的能量遵循完全不同的依赖于磁场强度的模式。多年前，理论学家将这种模式称为“B^(2/3)幂定律”，这是半狄拉克费米子的关键特征。
为了理解他们观察到的奇怪行为，实验物理学家与理论物理学家合作开发了一个描述ZrSiS电子结构的模型。他们特别关注电子可能运动和交叉的路径，以研究当电子在一个方向运动而不是另一个方向运动时，材料内部的电子是如何失去质量的。
技术的类比和含义
邵教授说：“想象一下，粒子是一列被限制在轨道网络中的小火车，轨道网络是材料的潜在电子结构。”“现在，在某些点，轨道相交，所以我们的粒子列车沿着它的快速轨道，以光速移动，但然后它遇到一个十字路口，需要切换到垂直轨道。突然，它受到了阻力，它有了质量。这些粒子要么全是能量，要么有质量，这取决于它们沿着物质的‘轨迹’运动的方向。”
研究小组的分析表明，在交叉点存在半狄拉克费米子。具体来说，它们在线性路径上运动时看起来没有质量，但在垂直方向上运动时就变成有质量了。邵教授解释说，ZrSiS是一种分层材料，很像石墨，由碳原子层组成，可以剥落成一个原子厚的石墨烯片。石墨烯是电池、超级电容器、太阳能电池、传感器和生物医学设备等新兴技术的关键组成部分。
邵教授说：“这是一种分层材料，这意味着一旦我们能够弄清楚如何将这种化合物单层切割，我们就可以利用半狄拉克费米子的力量，以与石墨烯相同的精度控制其特性。”“但这个实验最令人兴奋的部分是，这些数据还不能完全解释。在我们的观察中有许多未解之谜，所以这就是我们正在努力理解的。”
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