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物理学家发现仅在单向运动时才具质量的粒子
科学家在16年前首次预测这一可能性后，终于取得了令人振奋的突破：他们发现了一种准粒子(指多个粒子共同表现为一个整体)，它仅在单向运动时具有有效质量。
在物理学中，质量通常是粒子的一种属性，与其能量和运动的阻力相关。但并非所有的质量都以相同方式存在——有些质量描述粒子静止时的能量，而有些则包括粒子运动的能量。
在这个发现中，有效质量描述了准粒子对外力的响应。这种响应取决于准粒子在材料中的运动方向，是上下还是前后。而普通准粒子在任何方向运动时质量相同，这种被称为“半狄拉克费米子”的准粒子却打破了这一常规。
这一发现可能对量子物理和电子传感器等领域产生根本性影响。
这种新型准粒子由一个国际科学家团队发现，存在于一种ZrSiS半金属晶体中。晶体需冷却至零下452华氏度(零下269摄氏度)这一极端条件下才显现。这种极为罕见的准粒子也因此得以被首次观察。
粒子通常根据自旋属性分为玻色子和费米子。狄拉克费米子，无论是普通形式还是准粒子形式，都具有粒子与反粒子对应的特性。而本研究中的半狄拉克费米子则是一种奇特的存在，其能量在垂直方向上表现出完全不同的特性。
“这完全出乎意料，”宾夕法尼亚州立大学的凝聚态物理学家Yinming Shao说道，“我们研究这种材料时并未刻意寻找半狄拉克费米子，但却发现了我们无法解释的特征。”
“事实证明，我们首次观测到了这些疯狂的准粒子——它们有时像有质量的粒子运动，有时则像没有质量。”
研究人员利用一种称为磁光谱学的方法实现了这一发现。这种方法通过研究材料在强磁场下反射的红外光，揭示其特性。而实验中的磁场强度是地球磁场的90万倍，由佛罗里达州的国家高磁场实验室提供。
通过数值建模，科学家观察并确定了这种准粒子的行为：在一个方向上是无质量的(其能量完全由运动决定)，而在另一个方向上则具有有效质量。为了让非物理学家更容易理解，研究人员给出了一个比喻。
“想象这个粒子是一辆微型列车，它被限制在轨道网络上，这些轨道就是材料的电子结构，”Shao解释道。
“在某些交叉点，列车沿着一条快速轨道，以光速移动。但当它到达交叉点，需切换到垂直方向的轨道时，就会遇到阻力，表现出质量。粒子在材料的轨道中，根据运动方向，要么是纯能量，要么是有质量。”
这一发现对2008年首次提出这一理论的科学家而言，是一个重要时刻。但未来仍需深入探索，比如如何从多层的ZrSiS晶体中提取单层，才能开始考虑其实际应用。
“最令人兴奋的是，这次实验的数据还无法完全解释，”Shao表示，“我们观察到的现象仍有许多未解之谜，这正是我们努力弄清的方向。”
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。