Pela primeira vez, cientistas observaram uma coleção de partículas, também conhecida como quasipartícula, que não tem massa quando se move em uma direção, mas tem massa na outra direção. A quasipartícula, chamada de férmion semi-Dirac, foi teorizada pela primeira vez há 16 anos, mas só recentemente foi avistada dentro de um cristal de material semimetálico chamado ZrSiS. A observação da quasipartícula abre a porta para avanços futuros em uma gama de tecnologias emergentes, de baterias a sensores, de acordo com os pesquisadores.

A equipe, liderada por cientistas da Penn State e da Universidade de Columbia, publicou recentemente sua descoberta na revista Physical Review X.

"Isso foi totalmente inesperado", disse Yinming Shao, professor assistente de física na Penn State e autor principal do artigo. "Nós nem estávamos procurando por um férmion semi-Dirac quando começamos a trabalhar com esse material, mas estávamos vendo assinaturas que não entendíamos — e acontece que fizemos a primeira observação dessas quasipartículas selvagens que às vezes se movem como se tivessem massa e às vezes se movem como se não tivessem nenhuma."

Uma partícula não pode ter massa quando sua energia é inteiramente derivada de seu movimento, o que significa que é essencialmente energia pura viajando na velocidade da luz. Por exemplo, um fóton ou partícula de luz é considerado sem massa porque se move na velocidade da luz. De acordo com a teoria da relatividade especial de Albert Einstein, qualquer coisa viajando na velocidade da luz não pode ter massa.

Em materiais sólidos , o comportamento coletivo de muitas partículas, também conhecidas como quasipartículas, pode ter um comportamento diferente do das partículas individuais, o que neste caso deu origem a partículas com massa em apenas uma direção, explicou Shao.

Os férmions semi-Dirac foram teorizados pela primeira vez em 2008 e 2009 por várias equipes de pesquisadores, incluindo cientistas da Université Paris Sud na França e da University of California, Davis. Os teóricos previram que poderia haver quasipartículas com propriedades de mudança de massa dependendo de sua direção de movimento — que elas pareceriam sem massa em uma direção, mas teriam massa ao se mover em outra direção.

Dezesseis anos depois, Shao e seus colaboradores acidentalmente observaram as quasipartículas hipotéticas por meio de um método chamado espectroscopia magneto-óptica. A técnica envolve a incidência de luz infravermelha em um material enquanto ele é submetido a um forte campo magnético e a análise da luz refletida do material. Shao e seus colegas queriam observar as propriedades das quasipartículas dentro de cristais prateados de ZrSiS.

A equipe conduziu seus experimentos no National High Magnetic Field Laboratory na Flórida. O ímã híbrido do laboratório cria o campo magnético sustentado mais poderoso do mundo, aproximadamente 900.000 vezes mais forte que o campo magnético da Terra. O campo é tão forte que pode levitar pequenos objetos, como gotículas de água.

Os pesquisadores resfriaram um pedaço de ZrSiS a -452 °F — apenas alguns graus acima do zero absoluto, a temperatura mais baixa possível — e então o expuseram ao poderoso campo magnético do laboratório enquanto o atingiam com luz infravermelha para ver o que isso revelava sobre as interações quânticas dentro do material.

Quando um campo magnético é aplicado a qualquer material, os níveis de energia dos elétrons dentro desse material se tornam quantizados em níveis discretos chamados níveis de Landau, explicou Shao. Os níveis só podem ter valores fixos, como subir um conjunto de escadas sem pequenos degraus entre eles. O espaçamento entre esses níveis depende da massa dos elétrons e da força do campo magnético, então, conforme o campo magnético aumenta, os níveis de energia dos elétrons devem aumentar em quantidades definidas com base inteiramente em sua massa — mas, neste caso, não aumentaram.

Usando o ímã de alta potência na Flórida, os pesquisadores observaram que a energia das transições de nível de Landau no cristal ZrSiS seguiu um padrão completamente diferente de dependência da força do campo magnético. Anos atrás, os teóricos rotularam esse padrão de "lei de potência B 2/3 ", a assinatura chave dos férmions semi-Dirac.

Para entender o comportamento bizarro que observaram, os físicos experimentais fizeram parceria com físicos teóricos para desenvolver um modelo que descrevesse a estrutura eletrônica do ZrSiS. Eles se concentraram especificamente nos caminhos pelos quais os elétrons podem se mover e se cruzar para investigar como os elétrons dentro do material estavam perdendo sua massa ao se mover em uma direção, mas não em outra.

"Imagine que a partícula é um pequeno trem confinado a uma rede de trilhos, que são a estrutura eletrônica subjacente do material", disse Shao. "Agora, em certos pontos os trilhos se cruzam, então nosso trem de partículas está se movendo ao longo de seu trilho rápido, na velocidade da luz, mas então ele atinge uma interseção e precisa mudar para um trilho perpendicular. De repente, ele experimenta resistência, ele tem massa. As partículas são todas energia ou têm massa, dependendo da direção de seu movimento ao longo dos 'trilhos' do material."

A análise da equipe mostrou a presença de férmions semi-Dirac nos pontos de cruzamento. Especificamente, eles pareciam sem massa quando se moviam em um caminho linear, mas mudavam para ter massa quando se moviam em uma direção perpendicular. Shao explicou que ZrSiS é um material em camadas, muito parecido com grafite, que é feito de camadas de átomos de carbono que podem ser esfoliadas em folhas de grafeno com um átomo de espessura. O grafeno é um componente crítico em tecnologias emergentes, incluindo baterias, supercapacitores, células solares, sensores e dispositivos biomédicos.

"É um material em camadas, o que significa que, uma vez que possamos descobrir como ter um único corte de camada deste composto, podemos aproveitar o poder dos férmions semi-Dirac, controlar suas propriedades com a mesma precisão do grafeno", disse Shao. "Mas a parte mais emocionante deste experimento é que os dados ainda não podem ser totalmente explicados. Há muitos mistérios não resolvidos no que observamos, então é isso que estamos trabalhando para entender."