首次观测到只在一个方向上有质量的奇异粒子

在粒子物理学中，当一个粒子的能量完全来自其运动时，它可以表现为无质量状态。这意味着它本质上是以光速传播的纯能量。例如，光子被认为是无质量的，因为它总是以光速运动。根据爱因斯坦（Albert Einstein）的狭义相对论，以光速运动的任何物体都无法拥有质量。然而，在固体材料中，准粒子的集体行为往往与单个粒子的行为不同——它们可能仅在特定方向上显示出质量。

在一项于近期发表在《物理评论X》期刊上的研究中，一个研究团队首次观测到一种被称为“半狄拉克费米子”的准粒子。这类准粒子在二维系统中表现出独特的质量特性：它们在一个方向上表现为有质量，而在垂直方向上则表现为无质量。

虽然理论物理学家早在16年前就预言了这种特殊粒子的存在，但这种奇特的粒子此前一直未能在固体材料中被直接检测到。在新的研究中，研究团队在一种名为ZrSiS（锆硅硫化物）的半金属晶体中成功证实了它的存在。这一发现为电池、传感器等新兴技术的发展开辟了全新机遇。

  2/3次幂 

在典型金属中，外加磁场会引发电子的回旋运动，其回旋能量通常与磁场强度呈线性关系。而在一种被称为石墨烯的材料中，由于存在无质量的狄拉克费米子，其回旋能量则与磁场强度呈平方根关系。相比之下，半狄拉克费米子的表现更为独特：根据理论物理学家的预测，它们的回旋能量与磁场强度呈2/3次幂关系。

为了实现半狄拉克费米子的理论设想，科学家最初提出通过拉伸石墨烯，直至其能带结构中的两个狄拉克点（代表狄拉克费米子存在的特征）在动量空间中合并。然而，这一方案面临关键挑战：单层石墨烯在达到所需应变水平之前会发生结构失效，导致这一设想无法在实践中实现。

在这项新的研究中，研究团队利用一种名为磁光谱学的技术，首次观测到了这种假想的准粒子。磁光谱学是一种通过在强磁场下将红外光照射到材料上，并分析其反射光的技术，可用于探测材料内部的量子相互作用。研究人员在美国的国家高磁场实验室（MagLab）将这一方法应用于ZrSiS晶体进行实验。MagLab拥有世界上最强大的连续磁场，其强度约为地球磁场的90万倍，甚至足以使水滴等小物体悬浮。

在实验中，研究人员先将一块ZrSiS样品冷却至接近绝对零度的低温，然后用红外光照射，并暴露在强磁场中以探测其量子特性。

当磁场作用于材料时，材料内的电子能级会被量子化为离散的朗道能级。朗道能级只具有固定值，这种能级的间距取决于电子的质量和磁场强度。随着磁场的增加，电子的能级会相应增加，且增加多少完全取决于其质量。

回旋能量与磁场强度（B）的关系。紫色圆点表示的数据点支持了ZrSiS材料中存在半狄拉克费米子。（图/Yinming Shao / Penn State）

‍

但在这次实验中，研究人员利用实验装置中的高能磁铁观测到，ZrSiS晶体中的朗道能级的变化模式与传统预测完全不同——而是遵循一种取决于磁场强度的模式。多年前，理论物理学家将这种变化模式称为“B^2/3幂律”特性——这是半狄拉克费米子的标志性特征。

  未来的方向  

为了理解他们观察到的现象，实验物理学家与理论物理学家合作，构建了一个模型来描述ZrSiS的电子结构。他们特别关注了电子可能的运动路径和交叉点。

通过详细分析，研究人员发现了交叉点处存在的半狄拉克费米子。这些粒子在沿一条线性路径运动时表现为有质量，而在垂直路径上则呈现出无质量状态。

研究还指出，ZrSiS是一种层状材料，其结构与由碳原子组成的石墨相似，能够剥离成单原子厚度的片状——类似于石墨烯。研究团队表示，如果能将ZrSiS进一步优化为单层结构，就有望像石墨烯一样实现对半狄拉克费米子特性的精准操控，从而推动相关技术的突破。

更重要的是，这一新现象的背后仍有许多未解之谜，为未来研究开辟了新的方向。这一发现不仅丰富了对量子材料的理解，也为科学家们探索新型量子现象提供了绝佳机会。