Strana fisica: Scoperta una QuasiParticella che ha massa solo se si muove in una certa direzione

Gli scienziati hanno fatto una scoperta nel campo della fisica curiosa e intrigante circa 16 anni dopo averne previsto la possibilità: una quasiparticella (un gruppo di particelle che si comportano come una sola) che ha una massa effettiva solo quando si muove in una direzione. La scoperta è stata pubblicata in Physical Rewiew X

In fisica, la massa si riferisce generalmente a una proprietà delle particelle che riguarda aspetti come l’energia  cinetica  e la resistenza al movimento. Tuttavia, non tutte le masse sono costruite allo stesso modo: alcune descrivono l’energia di una particella a riposo, ad esempio, mentre la massa può anche tenere conto dell’energia del movimento di una particella. Ad esempio l’energia cinetica K è definita come  K = 1/2(m · v²) quindi in questo caso la massa è definita in base all’energia.

In questo caso, la massa effettiva descrive la risposta della quasiparticella alle forze, che varia a seconda che il movimento attraverso il materiale sia verso l’alto e verso il basso, o avanti e indietro.

Mentre le quasiparticelle normali hanno la stessa massa indipendentemente dalla direzione di spostamento, il fermione semi-Dirac (per dargli il nome tecnico) studiato qui non sembra giocare secondo le normali regole: infatti viene ad avere una massa solo se si muove in una determinata direzione. 

Si tratta di una scoperta che potrebbe fare una differenza fondamentale in campi come la fisica quantistica e i sensori elettronici.

La nuova quasiparticella è stata scoperta da un team internazionale di scienziati all’interno di un cristallo semimetallico ZrSiS, raffreddato a -452 gradi Fahrenheit (o -269 gradi Celsius) – una serie di condizioni estreme per una quasiparticella estremamente rara.

Descrizione di una particella di semi Dirac che si muove nel ZrSiS

Le particelle possono essere generalmente descritte come bosoni o fermioni, a seconda della misura di una proprietà chiamata spin. I fermioni di Dirac – sia in forma tipica che di quasiparticella – hanno proprietà che si presentano in forme opposte di particella e antiparticella.

Il fermione semi-Dirac descritto nel nuovo studio è una strana bestia che finora esisteva solo in teoria, operando secondo linee guida molto diverse di energia in direzioni perpendicolari.

“È stato del tutto inaspettato”, afferma il fisico della materia condensata Yinming Shao, della Pennsylvania State University. “Non stavamo nemmeno cercando un fermione semi-Dirac quando abbiamo iniziato a lavorare con questo materiale, ma stavamo vedendo firme che non capivamo”.

“Si è scoperto che avevamo fatto la prima osservazione di queste quasiparticelle selvagge che a volte si muovono come se avessero una massa e a volte come se non l’avessero”.

I ricercatori stavano utilizzando un metodo di analisi scientifica noto come spettroscopia magneto-ottica quando hanno fatto la scoperta. Si tratta di un metodo in cui i materiali vengono studiati attraverso i riflessi della luce infrarossa che emettono, sotto l’influenza di un forte campo magnetico.

E intendiamo forte: circa 900.000 volte più forte del campo magnetico terrestre, grazie al National High Magnetic Field Laboratory in Florida. Queste sono le condizioni esotiche che gli scienziati utilizzano per studiare le interazioni più rare alle scale più piccole.

Da lì è stata osservata e identificata, con l’aiuto di alcuni modelli numerici, l’attività del fermione semi-Dirac: essere privo di massa in una direzione (con tutta l’energia descritta dal suo movimento), ma avere una massa effettiva in un’altra. Fortunatamente per i non fisici, i ricercatori forniscono un’analogia.

“Immaginiamo che la particella sia un piccolo treno confinato in una rete di binari, che rappresentano la struttura elettronica sottostante del materiale”, spiega Shao.

“Ora, in alcuni punti i binari si intersecano, quindi il nostro treno di particelle si muove lungo il suo binario veloce, alla velocità della luce, ma poi incontra un’intersezione e deve passare a un binario perpendicolare”“Improvvisamente incontra una resistenza, ha una massa. Le particelle sono tutte energia o hanno massa, a seconda della direzione del loro movimento lungo i ‘binari’ del materiale”.

È un momento importante per la fisica, anche per coloro che hanno ipotizzato il fenomeno per la prima volta nel 2008. Tuttavia, c’è ancora molto da esplorare – tra cui capire come estrarre i singoli strati dal cristallo ZrSiS multistrato – prima di poter iniziare a pensare alle sue implicazioni e a eventuali usi pratici.

“La parte più emozionante di questo esperimento è che i dati non possono ancora essere spiegati completamente”, afferma Shao. “Ci sono molti misteri irrisolti in ciò che abbiamo osservato, quindi questo è ciò che stiamo lavorando per capire”.