Observan partículas que sólo tienen masa moviéndose en una dirección

Por primera vez, físicos han observado una colección de partículas, también conocidas como cuasipartículas, que no tienen masa cuando se mueven en una dirección, pero sí en la otra.

La cuasipartícula, llamada semifermión de Dirac, fue teorizada por primera vez hace 16 años, pero fue descubierta recientemente dentro de un cristal de material semimetálico llamado ZrSiS. La observación de la cuasipartícula abre la puerta a futuros avances en una gama de tecnologías emergentes, desde baterías hasta sensores, según los investigadores.

El equipo, dirigido por científicos de Penn State y Columbia University, publicó su descubrimiento en la revista Physical Review X.

"Esto fue totalmente inesperado", dijo en un comunicado Yinming Shao, profesor adjunto de física en Penn State y autor principal del artículo. "Ni siquiera buscábamos un semifermión de Dirac cuando empezamos a trabajar con este material, pero estábamos viendo señales que no entendíamos, y resulta que habíamos hecho la primera observación de estas cuasipartículas salvajes que a veces se mueven como si tuvieran masa y a veces se mueven como si no tuvieran ninguna".

Una partícula puede no tener masa cuando su energía se deriva completamente de su movimiento, lo que significa que es esencialmente energía pura que viaja a la velocidad de la luz. Por ejemplo, un fotón o partícula de luz se considera sin masa porque se mueve a la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, cualquier cosa que viaje a la velocidad de la luz no puede tener masa.

En los materiales sólidos, el comportamiento colectivo de muchas partículas, también conocidas como cuasipartículas, puede tener un comportamiento diferente al de las partículas individuales, lo que en este caso dio lugar a partículas que tienen masa en una sola dirección, explicó Shao.

Los fermiones semi-Dirac fueron teorizados por primera vez en 2008 y 2009 por varios equipos de investigadores, incluidos científicos de la Université Paris Sud en Francia y la Universidad de California en Davis. Los teóricos predijeron que podría haber cuasipartículas con propiedades de cambio de masa dependiendo de su dirección de movimiento: que parecerían sin masa en una dirección, pero tendrían masa cuando se movieran en otra dirección.

Dieciséis años después, Shao y sus colaboradores observaron accidentalmente las hipotéticas cuasipartículas a través de un método llamado espectroscopia magneto-óptica. La técnica implica proyectar luz infrarroja sobre un material mientras está sujeto a un campo magnético fuerte y analizar la luz reflejada del material. Shao y sus colegas querían observar las propiedades de las cuasipartículas dentro de cristales plateados de ZrSiS.

El equipo realizó sus experimentos en el Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos en Florida. El imán híbrido del laboratorio crea el campo magnético sostenido más potente del mundo, aproximadamente 900.000 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra. El campo es tan fuerte que puede hacer levitar objetos pequeños como gotas de agua.

Los investigadores enfriaron un trozo de ZrSiS a -268 grados Celsius (solo unos pocos grados por encima del cero absoluto, la temperatura más baja posible) y luego lo expusieron al potente campo magnético del laboratorio mientras lo golpeaban con luz infrarroja para ver qué revelaba sobre las interacciones cuánticas dentro del material.

"Estábamos estudiando la respuesta óptica, cómo los electrones dentro de este material responden a la luz, y luego estudiamos las señales de la luz para ver si había algo interesante sobre el material en sí, sobre su física subyacente", dijo Shao. "En este caso, vimos muchas características que esperaríamos en un cristal semimetálico y luego sucedieron todas estas otras cosas que fueron absolutamente desconcertantes".

Cuando se aplica un campo magnético a cualquier material, los niveles de energía de los electrones dentro de ese material se cuantifican en niveles discretos llamados niveles de Landau, explicó Shao. Los niveles solo pueden tener valores fijos, como subir un conjunto de escaleras sin escalones intermedios. El espaciamiento entre estos niveles depende de la masa de los electrones y la fuerza del campo magnético, por lo que a medida que aumenta el campo magnético, los niveles de energía de los electrones deberían aumentar en cantidades establecidas basadas completamente en su masa, pero en este caso, no fue así.

Utilizando el imán de alta potencia en Florida, los investigadores observaron que la energía de las transiciones del nivel de Landau en el cristal de ZrSiS seguía un patrón completamente diferente de dependencia de la fuerza del campo magnético. Hace años, los teóricos habían etiquetado este patrón como la "ley de potencia B2/3", la firma clave de los fermiones semi-Dirac.

Para comprender el extraño comportamiento que observaron, los físicos experimentales se asociaron con físicos teóricos para desarrollar un modelo que describiera la estructura electrónica de ZrSiS. Se centraron específicamente en las vías por las que los electrones podrían moverse y cruzarse para investigar cómo los electrones dentro del material perdían su masa cuando se movían en una dirección pero no en otra.

"Imaginemos que la partícula es un tren diminuto confinado en una red de pistas, que son la estructura electrónica subyacente del material", dijo Shao. "Ahora, en ciertos puntos las pistas se cruzan, por lo que nuestro tren de partículas se mueve a lo largo de su pista rápida, a la velocidad de la luz, pero luego llega a una intersección y necesita cambiar a una pista perpendicular. De repente, experimenta resistencia, tiene masa. Las partículas son toda energía o tienen masa dependiendo de la dirección de su movimiento a lo largo de las 'pistas' del material".

El análisis del equipo mostró la presencia de fermiones semi-Dirac en los puntos de cruce. Específicamente, parecían sin masa cuando se movían en una trayectoria lineal, pero cambiaban a tener masa cuando se movían en una dirección perpendicular. Shao explicó que ZrSiS es un material en capas, muy parecido al grafito, que está formado por capas de átomos de carbono que se pueden exfoliar hasta formar láminas de grafeno de un átomo de espesor. El grafeno es un componente crítico en tecnologías emergentes, incluidas baterías, supercondensadores, células solares, sensores y dispositivos biomédicos.