اكتشف العلماء اكتشافًا مثيرًا ومُرضيًا في مجال الفيزياء بعد 16 عامًا من التنبؤ به كاحتمال: وجود جسيم شبه جسيمي (مجموعة من الجسيمات تتصرف كواحدة) يمتلك كتلة فعالة فقط عند التحرك في اتجاه واحد.
في الفيزياء، تشير الكتلة عمومًا إلى خاصية للجسيمات تتعلق بأشياء مثل طاقتها ومقاومتها للحركة. ومع ذلك، ليست كل الكتل متساوية – فبعضها يصف طاقة الجسيم عندما يكون في حالة سكون، بينما قد تأخذ الكتلة أيضًا بعين الاعتبار طاقة حركة الجسيم.
في هذه الحالة، تصف الكتلة الفعالة استجابة الجسيم شبه الجسيمي للقوى، والتي تختلف اعتمادًا على ما إذا كانت الحركة عبر المادة لأعلى ولأسفل أو للأمام والخلف.
بينما تمتلك الجسيمات شبه الجسيمة العادية نفس الكتلة بغض النظر عن اتجاه سفرها، يبدو أن fermion نصف ديراك (لإعطائه اسمه الفني) الذي يتم دراسته هنا لا يتبع القواعد العادية.
إنه اكتشاف قد يحدث فرقًا أساسيًا في مجالات مثل الفيزياء الكمومية وأجهزة الاستشعار الإلكترونية.
تم اكتشاف هذا الجسيم شبه الجسيمي بواسطة فريق دولي من العلماء داخل بلورة زيركونيوم سيليكون كبريتيد (ZrSiS)، تم تبريدها إلى -452 درجة فهرنهايت (-269 درجة مئوية) – وهي ظروف قاسية لجزيء نادر للغاية.
يمكن وصف الجزيئات عمومًا بأنها بوزونات أو فرميونات، اعتمادًا على قياس خاصية تُسمى الدوران. تمتلك فرميونات ديراك – سواء كانت في شكل عادي أو شبه جسيمي – خصائص تأتي بأشكال متعارضة للجزيء والجزيء المضاد.
هذا الفرميون نصف ديراك المفصل في الدراسة الجديدة هو شيء غريب لم يكن موجوداً إلا نظرياً حتى الآن، ويعمل وفق إرشادات مختلفة تماماً للطاقة في الاتجاهات العمودية.
قال عالم الفيزياء المكثفة ينمينغ شاو من جامعة ولاية بنسيلفانيا: “كان هذا غير متوقع تماماً”. “لم نكن حتى نبحث عن فرميون نصف ديراك عندما بدأنا العمل مع هذه المادة، لكننا كنا نشهد توقيعات لم نفهمها.”
“تبين أننا قمنا بأول ملاحظة لهذه الجزئيات الغريبة التي تتحرك أحياناً كما لو كان لديها كتلة وأحياناً تتحرك كما لو لم يكن لديها أي.”
كان الباحثون يستخدمون طريقة تحليل علمية تُعرف باسم الطيف المغناطيسي البصري عندما قاموا بالاكتشاف. حيث يتم دراسة المواد عبر الانعكاسات الضوئية تحت تأثير مجال مغناطيسي قوي.
وهذا يعني قوي جداً: حوالي 900,000 مرة أقوى من المجال المغناطيسي للأرض بفضل المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية في فلوريدا. هذه هي الظروف الغريبة التي يستخدمها العلماء لدراسة أندر التفاعلات على أصغر المقاييس.
من هناك تم ملاحظة وتحديد نشاط الفرميون نصف ديراك بمساعدة بعض النمذجة العددية: حيث يكون عديم الكتلة في اتجاه واحد (مع وصف كل طاقته بحركته)، ولكن لديه كتلة فعالة في آخر. ولحسن الحظ لغير الفيزيائيين ، يقدم الباحثون تشبيهاً لذلك.
قال شاو: “تخيل أن الجزئي هو قطار صغير محصور ضمن شبكة من المسارات ، والتي هي الهيكل الإلكتروني الأساسي للمادة.”
“الآن ، عند نقاط معينة تتقاطع المسارات ، لذا فإن قطار جزيئاتنا يتحرك على مساره السريع بسرعة الضوء ، لكنه يصطدم بتقاطع ويحتاج إلى الانتقال إلى مسار عمودي.”
“فجأة يشعر بالمقاومة ، لديه كتلة. تكون الجزئيات إما كلها طاقة أو لها كتلة حسب اتجاه حركتها على ‘المسارات’ الخاصة بالمادة.”
إنه لحظة بارزة في الفيزياء ، بما فيها لأولئك الذين افترضوا الظاهرة لأول مرة عام 2008. لا يزال هناك الكثير لاستكشافه هنا – بما فيه معرفة كيفية استخراج طبقات فردية من بلورة ZrSiS متعددة الطبقات – قبل أن نبدأ بالتفكير حول تداعياته كاملة وأي استخدامات عملية له .
قال شاو: “أكثر جزء مثير للإعجاب من هذا التجربة هو أن البيانات لا يمكن تفسيرها بالكامل بعد.”
“هناك العديد من الألغاز غير المحلولة فيما لاحظناه ، لذا فإن ذلك ما نحن بصدد فهمه.”
تم نشر البحث في مجلة Physical Review X.
