No mundo dos físicos de partículas, às vezes acontecem coisas que estão completamente além da nossa compreensão. E mais uma vez hoje, com esta equipe relatando que observaram partículas estranhas que perdem – ou ganham – massa quando mudam de direção.
O mundo subatômico é um mundo muito misterioso. As partículas podem se comportar de maneiras muito estranhas ali. Por exemplo, alguns podem parecer massivos quando se movem em uma direção e extremamente leves, até mesmo sem massa, quando se movem em outra. Pelo menos é isso que físicosfísicos havia previsto há mais de 15 anos. Mas nunca tal partícula – ou mais precisamente quase-partícula – chamada “férmion semi-Dirac” não pôde ser observado até agora.
E aqui estão pesquisadores da Penn State e da Universidade ColômbiaColômbia (Estados Unidos) relatório, na revista Revisão Físicatendo sido testemunhas totalmente involuntárias da presença de tais partículas no interior de um cristal de material semimetálico composto de zircônio, siliconesilicone e enxofre, ZrSiS. “Foi totalmente inesperado”diz Yinming Shao, professor de físicofísico na Penn State, em comunicado à imprensa. “Nem estávamos procurando um férmion semi-Dirac quando começamos a trabalhar com esse material. »
Você sabia?
Um semimetal conduz eletricidade como um metal, exceto em condições extremas.
O que os pesquisadores queriam saber era como o cristal colocado em condições extremas de temperatura – em torno de -269°C, pouco acima do zero absoluto – reagiria se exposto a fortes campos magnéticoscampos magnéticos. Assim como os produzidos pelaímãímã de Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético (ESTADOS UNIDOS). Campos aproximadamente 900.000 vezes mais poderosos que os da nossa Terra. E eles não ficaram desapontados. “Observamos muitos recursos que esperávamos ver. Então todas essas outras coisas aconteceram. Coisas absolutamente confusas”comenta Yinming Shao.
Assinatura do férmion Semi-Dirac identificada
O campo magnético aplicado ao cristal ZrSiS restringiu de fato sua elétronselétrons comportar-se de forma extremamente estranha. Em vez de seguir o clássico corrente elétricacorrente elétricapassaram a adotar trajetórias circulares. Sob a influência do frio, eles também começaram a se comportar como uma onda que se auto-reforça. E assim causaram o aparecimento de algo que lembra férmions semi-Dirac.
A confirmação veio então de uma análise de como o cristal refletia diferentes frequênciasfrequências de luz infravermelha, enquanto os pesquisadores variavam as intensidades do campo magnético aplicado. Mas para entender, algumas explicações adicionais podem ser necessárias neste momento. Você deve saber que quando um campo magnético é aplicado a um material, os níveis deenergiaenergia de seus elétrons são quantizados em níveis discretos chamados níveis de Landau. Portanto, os níveis de energia dos elétrons só podem ter valores fixos. E a diferença entre esses valores depende da massa dos elétrons e da força do campo magnético. Na verdade, à medida que o campo magnético aumenta, os níveis de energia dos elétrons devem aumentar em quantidades definidas com base inteiramente na sua massa. Isto é o que os físicos da Penn State e da Columbia University queriam verificar. No entanto, na sua experiência, este não foi o caso. No cristal ZrSiS, o espaçamento entre os níveis de Landau seguiu um padrão de dependência do campo magnético muito diferente. Semelhante ao que os teóricos apresentaram anteriormente como a assinatura chave dos férmions semi-Dirac.
Uma partícula híbrida de elétron e neutrino
Os experimentadores então convocaram colegas teóricos. Desenvolver um modelo que descreva a estrutura do seu cristal semimetálico. “Imagine que a partícula é um pequeno trem confinado em uma rede de trilhos desenhados pela estrutura eletrônica subjacente do materialexplica Yinming Shao. Impulsionado pelo campo magnético, esse trem de partículas se move ao longo de sua trajetória rápida, no velocidade da luzvelocidade da luz. Mas quando o campo magnético muda de direção, é como se alcançasse uma interseção e tivesse que se mover em uma trajetória perpendicular. De repente ele experimenta um resistênciaresistência. Ele tem massa. » Assim como este trem imaginário, os férmions semi-Dirac concentram-se nos pontos de cruzamento da estrutura eletrônica do cristal ZrSiS. E os físicos os descrevem como híbridoshíbridos exóticoexótico elétrons comuns e partículas cósmicas mais incomuns e sem massa, como neutrinosneutrinos.
Além do interesse puramente teórico da observação, os físicos veem potenciais aplicativosaplicativos. “ZrSiS é um material laminadolaminado – como o grafenografeno –o que significa que assim que entendermos como obter uma única camada deste composto, seremos capazes de aproveitar o poder dos férmions semi-Dirac e controlar suas propriedades com a mesma precisão do grafenoconclui Yinming Shao. Mas a parte mais emocionante desta experiência é que os nossos dados ainda não podem ser totalmente explicados. Ainda restam muitos mistérios não resolvidos no que observamos. »
