Seltsam: Ein Teilchen wird beobachtet, das nur dann Masse hat, wenn es sich in eine bestimmte Richtung bewegt

Die Physik der kondensierten Materie ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit den Zuständen der Materie und den Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen befasst. Aufgrund ihrer Bedeutung für die Technik mit Phänomenen wie Magnetismus und Supraleitung hat sie in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Mit den Fortschritten auf diesem Gebiet werden immer mehr Phänomene entdeckt, die die Physiker zu erklären versuchen, z. B. Quasiteilchen.

Quasiteilchen sind Phänomene, die innerhalb des Fachgebiets Aufmerksamkeit erregen, da sie sich auf Phänomene in Materialien beziehen. Diese Phänomene entstehen durch kollektive Wechselwirkungen zwischen den realen Teilchen in einem Material. Sie können Eigenschaften wie Ladung und Masse haben, was Berechnungen und die Beschreibung eines Kollektivs erleichtern kann. Es handelt sich jedoch nicht um echte Teilchen.

Forschern der Penn State und der Columbia University ist es gelungen, ein Quasiteilchen mit seltsamem Verhalten zu beobachten. Nach der Durchführung von Experimenten stellten die Forscher fest, dass die Masse des Quasiteilchens je nach der Richtung, in die es sich bewegt, variiert. Diese Beobachtung erregte die Aufmerksamkeit der Gruppe, die die Ergebnisse in Physical Review X veröffentlichte .

Mass

Die Energie eines Teilchens hängt von zwei Termen ab, nämlich einem Ruheterm und einem Term, der von der Geschwindigkeit abhängt. Wenn die Energie eines Teilchens nur vom kinetischen Term abhängt, hat es möglicherweise keine Masse. Ein Beispiel für solche Teilchen sind Photonen, die sich mit einer begrenzten Geschwindigkeit bewegen. Etwas kann die Lichtgeschwindigkeit nur erreichen, wenn es keine Masse hat.

Relativistische Masse ist ein Konzept aus der speziellen Relativitätstheorie des Physikers Albert Einstein. Die relativistische Masse nimmt zu, wenn sich die Geschwindigkeit des Objekts der Lichtgeschwindigkeit annähert. Die Masse, die sich nicht ändert, wird als Ruhemasse bezeichnet und wird berechnet, wenn sich das Objekt relativ zu einem Beobachter in Ruhe befindet.

Semi-Dirac-Fermion

Quasiteilchen sind Phänomene, die aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Teilchen in einem Objekt entstehen. Eine Art von Quasiteilchen ist das so genannte Semi-Dirac-Fermion, das verschiedene Eigenschaften aufweist. Diese Quasiteilchen entstehen unter bestimmten Bedingungen in einigen festen Materialien. Außerdem gibt es zwei Klassen von Fermionen: relativistische und nichtrelativistische.

Das Überraschende an den Semi-Dirac-Fermionen ist, dass sie sich je nach Richtung, in die sie sich bewegen, unterschiedlich verhalten: In der einen Richtung können sie sich wie masselose relativistische Fermionen verhalten, während sie in der anderen Richtung eine Masse zu besitzen scheinen. Kürzlich gelang es in einem Experiment, Semi-Dirac-Fermionen zu beobachten und ihre Eigenschaften zu analysieren.

Experiment

Ein Team von Forschern der Penn State und der Columbia University führte Experimente durch, mit denen Semi-Dirac-Fermionen beobachtet werden konnten. Ein starkes Magnetfeld wurde erzeugt, während ein Stück Zirkonium-Silizium-Sulfid (ZrSiS) auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde. Danach wurde das ZrSiS in ein Magnetfeld mit einer Intensität gebracht, die 900 Tausend Mal größer war als das Magnetfeld der Erde.

Das ZrSiS-Stück wurde mit Infrarotlicht beleuchtet, um Daten darüber zu erhalten, wie die Elektronen im Material auf Licht reagieren. Das Magnetfeld hilft bei der Quantifizierung der Energieniveaus der Elektronen, die als Landau-Niveaus bezeichnet werden und feste Werte haben. Der Abstand zwischen diesen Niveaus hängt von der Masse der Elektronen und der Stärke des Magnetfelds ab. Je höher die Intensität, desto höher das Energieniveau der Elektronen.

Beobachtung

Während des Experiments beobachtete die Gruppe, dass die Landau-Niveaus einem anderen Muster folgten als für diese Magnetfeldstärke erwartet. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Elektronen im Inneren des ZrSiS an Masse zu verlieren schienen, wenn sie sich in eine Richtung bewegten, aber nicht, wenn sie sich in eine andere Richtung bewegten. Sie schlossen daraus, dass dies die Beobachtung von Semi-Dirac-Fermionen war.

Wenn sie sich in eine senkrechte Richtung bewegten, schienen die Semi-Dirac-Fermionen Masse zu haben. Bei einer parallelen oder linearen Bewegung schienen die Fermionen masselos zu sein. Die Beobachtung wird als ein Schritt zum besseren Verständnis dieses Phänomens gesehen, das in der Technik und in der Wissenschaft Anwendung finden kann.

Quellenhinweis:

Shao et al. 2024 Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal Physical Review