在粒子物理學中，當一個粒子的能量完全來自其運動時，它可以表現(xiàn)為無質量狀態(tài)。這意味著它本質上是以光速傳播的純能量。例如，光子被認為是無質量的，因為它總是以光速運動。根據愛因斯坦（Albert Einstein）的狹義相對論，以光速運動的任何物體都無法擁有質量。然而，在固體材料中，準粒子的集體行為往往與單個粒子的行為不同——它們可能僅在特定方向上顯示出質量。

在一項于近期發(fā)表在《物理評論X》期刊上的研究中，一個研究團隊首次觀測到一種被稱為“半狄拉克費米子”的準粒子。這類準粒子在二維系統(tǒng)中表現(xiàn)出獨特的質量特性：它們在一個方向上表現(xiàn)為有質量，而在垂直方向上則表現(xiàn)為無質量。

雖然理論物理學家早在16年前就預言了這種特殊粒子的存在，但這種奇特的粒子此前一直未能在固體材料中被直接檢測到。在新的研究中，研究團隊在一種名為ZrSiS（鋯硅硫化物）的半金屬晶體中成功證實了它的存在。這一發(fā)現(xiàn)為電池、傳感器等新興技術的發(fā)展開辟了全新機遇。

2/3次冪

在典型金屬中，外加磁場會引發(fā)電子的回旋運動，其回旋能量通常與磁場強度呈線性關系。而在一種被稱為石墨烯的材料中，由于存在無質量的狄拉克費米子，其回旋能量則與磁場強度呈平方根關系。相比之下，半狄拉克費米子的表現(xiàn)更為獨特：根據理論物理學家的預測，它們的回旋能量與磁場強度呈2/3次冪關系。

為了實現(xiàn)半狄拉克費米子的理論設想，科學家最初提出通過拉伸石墨烯，直至其能帶結構中的兩個狄拉克點（代表狄拉克費米子存在的特征）在動量空間中合并。然而，這一方案面臨關鍵挑戰(zhàn)：單層石墨烯在達到所需應變水平之前會發(fā)生結構失效，導致這一設想無法在實踐中實現(xiàn)。

在這項新的研究中，研究團隊利用一種名為磁光譜學的技術，首次觀測到了這種假想的準粒子。磁光譜學是一種通過在強磁場下將紅外光照射到材料上，并分析其反射光的技術，可用于探測材料內部的量子相互作用。研究人員在美國的國家高磁場實驗室（MagLab）將這一方法應用于ZrSiS晶體進行實驗。MagLab擁有世界上最強大的連續(xù)磁場，其強度約為地球磁場的90萬倍，甚至足以使水滴等小物體懸浮。

在實驗中，研究人員先將一塊ZrSiS樣品冷卻至接近絕對零度的低溫，然后用紅外光照射，并暴露在強磁場中以探測其量子特性。

當磁場作用于材料時，材料內的電子能級會被量子化為離散的朗道能級。朗道能級只具有固定值，這種能級的間距取決于電子的質量和磁場強度。隨著磁場的增加，電子的能級會相應增加，且增加多少完全取決于其質量。

回旋能量與磁場強度（B）的關系。紫色圓點表示的數據點支持了ZrSiS材料中存在半狄拉克費米子。（圖/Yinming Shao / Penn State）

但在這次實驗中，研究人員利用實驗裝置中的高能磁鐵觀測到，ZrSiS晶體中的朗道能級的變化模式與傳統(tǒng)預測完全不同——而是遵循一種取決于磁場強度的模式。多年前，理論物理學家將這種變化模式稱為“B2/3冪律”特性——這是半狄拉克費米子的標志性特征。

未來的方向

為了理解他們觀察到的現(xiàn)象，實驗物理學家與理論物理學家合作，構建了一個模型來描述ZrSiS的電子結構。他們特別關注了電子可能的運動路徑和交叉點。

通過詳細分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了交叉點處存在的半狄拉克費米子。這些粒子在沿一條線性路徑運動時表現(xiàn)為有質量，而在垂直路徑上則呈現(xiàn)出無質量狀態(tài)。

研究還指出，ZrSiS是一種層狀材料，其結構與由碳原子組成的石墨相似，能夠剝離成單原子厚度的片狀——類似于石墨烯。研究團隊表示，如果能將ZrSiS進一步優(yōu)化為單層結構，就有望像石墨烯一樣實現(xiàn)對半狄拉克費米子特性的精準操控，從而推動相關技術的突破。

更重要的是，這一新現(xiàn)象的背后仍有許多未解之謎，為未來研究開辟了新的方向。這一發(fā)現(xiàn)不僅豐富了對量子材料的理解，也為科學家們探索新型量子現(xiàn)象提供了絕佳機會。

#創(chuàng)作團隊：

編譯：小雨

排版：雯雯

#參考來源：

https://www.psu.edu/news/research/story/particle-only-has-mass-when-moving-one-direction-observed-first-time

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.041057

#圖片來源：

封面圖&首圖：geralt / Pixabay