美國(guó)科學(xué)家首次觀察到半狄拉克費(fèi)米子

美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)科學(xué)家攜手，首次觀察到一類特殊準(zhǔn)粒子——半狄拉克費(fèi)米子。這類準(zhǔn)粒子在朝一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)擁有質(zhì)量，而朝另一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)則失去質(zhì)量。研究人員表示，對(duì)這些準(zhǔn)粒子開(kāi)展深入研究，有望促進(jìn)下一代電池、傳感器等技術(shù)發(fā)展。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《物理評(píng)論X》雜志。

當(dāng)粒子的能量完全源自其運(yùn)動(dòng)時(shí)，它就沒(méi)有質(zhì)量。這意味著它本質(zhì)上是以光速傳播的純能量，如以光速移動(dòng)的光子就被認(rèn)為沒(méi)有質(zhì)量。阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論也指出，任何以光速運(yùn)動(dòng)的物體都不可能擁有質(zhì)量。

然而研究團(tuán)隊(duì)表示，在固體材料中，一些行動(dòng)一致的粒子（也被稱為準(zhǔn)粒子）的“一舉一動(dòng)”可能與單個(gè)粒子截然不同。有些準(zhǔn)粒子僅在朝一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)才擁有質(zhì)量，而朝另一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)沒(méi)有質(zhì)量。他們將這些奇特的粒子命名為半狄拉克費(fèi)米子。

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研究示意圖。

2008年和2009年，來(lái)自法國(guó)南巴黎大學(xué)和美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，首次從理論上預(yù)言了半狄拉克費(fèi)米子的存在。

在最新研究中，賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)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(nèi)，首次窺見(jiàn)了半狄拉克費(fèi)米子的“真容”。

研究團(tuán)隊(duì)在位于佛羅里達(dá)州的國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)室混合磁體產(chǎn)生的持續(xù)磁場(chǎng)可達(dá)地球磁場(chǎng)的90萬(wàn)倍，能使水滴等小物體懸浮起來(lái)。

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)將一塊鋯硅硫化物冷卻至-268.9℃左右——僅比絕對(duì)零度高幾度，然后將其置于實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)大的磁場(chǎng)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(xué)的技術(shù)，邵垠銘等人觀測(cè)到了鋯硅硫化物晶體內(nèi)準(zhǔn)粒子的性質(zhì)。