Mik azok a félfémek és mik azok a félig Dirac fermionok?

Mint a Wikipedia írja, a félfémek, vagy más néven metalloidok, olyan kémiai elemek, amelyek tulajdonságai átmenetet képeznek a fémek és a nemfémek között, és a periódusos rendszer p-mezőjében helyezkednek el. Mivel eltérő definíciók léteznek, a félfémek pontos száma nem meghatározható. A legtöbb forrás a bórt, a szilíciumot, a germániumot, az arzént, az antimont és a tellúrt sorolja a félfémek közé, míg a polónium és az asztácium esetében csak a források mintegy fele említi őket.

Akkor már csak azt kell elmondanunk, hogy mi is a félig Dirac fermion – erről pedig a cikk hátralévő része fog szólni. Előzetesen legyen annyi elég, hogy ezeket a bizarr részecskéket a félfémekben fedezték fel, és nagyon különösen viselkednek: a tömegük a mozgási irányuktól függ – vagyis ha az egyik irányba haladnak, akkor komoly tömeggel rendelkeznek, míg ha a másikba, akkor mintha egyáltalán nem lenne tömegük, tömegtelenek lennének. A jelenség léte hipotetikusan már másfél évtizede felmerült, most viszont sikerült ezt ténylegesen is megfigyelni – mint arról a New Scientist cikke beszámol.

A kutatást Yinming Shao, a Pennsylvaniai Állami Egyetem munkatársa vezette, és egy cirkóniumot, szilíciumot és ként tartalmazó vegyületben vizsgálták az elektronok viselkedését. Ez a fényes félfém, amely a tipikus fémekhez hasonlóan vezeti az elektromosságot, szélsőséges körülmények között különleges tulajdonságokat mutat. A kísérlet során a kutatók a félfémet abszolút nulla közelébe hűtötték, és a Föld természetes mágneses mezejénél több mint tízmilliószor erősebb mágneses térnek tették ki.

Ilyen körülmények között az elektronok a félfémben nem a szokásos lineáris irányban mozogtak, hanem körkörös pályákon haladtak, mint amikor egy folyóban örvények keletkeznek. A fenti körülményeknek hála az elektronok hullámként kezdtek viselkedni, és mozgásuk a körkörös pályákon stabilizálódott.

Így jöttek végül létre a félig Dirac fermionok.

A kutatók infravörös fényt irányítottak a félfémre, hogy a fényvisszaverődés segítségével igazolják a részecskék létezését. A mágneses mező és a fény frekvenciájának finomhangolásával sikerült olyan specifikus jellemzőket azonosítani, amelyek megegyeztek az elméleti előrejelzésekkel is. Mint azt Shao elmagyarázta: habár már 16 évvel ezelőtt felmerült tehát, hogy bizonyos anyagokban, például a grafénban, létezhetnek ilyen részecskék, azonban a kísérlethez használt félfémnek az összetett tulajdonságai új matematikai modellezést igényeltek a megfigyelések igazolásához. A megfigyelt a részecskék pedig igazán egyedi viselkedést mutattak: ha a mágneses tér iránya egybeesett a részecskék mozgási irányával, akkor tömegtelennek tűntek, de amikor a mező merőlegesen eltért a mozgásirányuktól, akkor jelentős tömeg alakult ki.

A szakértők szerint a félig Dirac fermionok akár új fizikai tulajdonságokat is feltárhatnak. Bruno Uchoa, az Oklahomai Egyetem munkatársa ezeket a részecskéket a szabályos elektronok és tömegtelen kozmikus részecskék, például neutrínók keverékeként írta le. Szerinte ezek a részecskék akár viszkózus folyadékként is viselkedhetnek az anyagon belül, ami másképpen áramolhat, mint a hagyományos elektronok. Shao azonban hozzátette, hogy a félig Dirac fermionokkal és lehetséges alkalmazásaikkal kapcsolatban még számos kérdés vár megválaszolásra, de az biztos, hogy a további kutatások izgalmas lehetőségek előtt tárhatják szélesre a kaput.

(A cikkhez használt kép illusztráció, forrása: Berkeley Engineering)