¡Extraño! Se observa una partícula que sólo tiene masa cuando se mueve en una dirección determinada

La Física de la Materia Condensada es un área de la Física que estudia los estados de la materia y las interacciones entre átomos y moléculas. Debido a su importancia para la tecnología con fenómenos como el magnetismo y la superconductividad, ha ganado más fuerza en los últimos años. A medida que avanza el campo, se encuentran cada vez más fenómenos y los físicos intentan explicarlos, por ejemplo, las cuasipartículas.

Las cuasipartículas son fenómenos que llaman la atención dentro del área ya que se refieren a fenómenos en los materiales. Estos fenómenos surgen de interacciones colectivas entre las partículas reales presentes en un material. Pueden tener propiedades como carga y masa, que pueden facilitar los cálculos y la descripción de un colectivo. Sin embargo, no son partículas reales.

Investigadores de Penn State y la Universidad de Columbia lograron observar una cuasipartícula con un comportamiento extraño. Tras realizar experimentos, los investigadores se dieron cuenta de que la masa de la cuasipartícula varía según la dirección en la que se mueve. Esta observación llamó la atención del grupo que publicó los resultados en Physical Review X.

Masa

La energía de una partícula depende de dos términos, siendo un término en reposo y un término que depende de la velocidad. Cuando la energía de una partícula depende únicamente del término cinético, puede que no tenga masa. Un ejemplo de partículas como esta son los fotones que se mueven a una velocidad límite. Algo sólo puede alcanzar la velocidad de la luz cuando no tiene masa.

La masa relativista es un concepto de la teoría especial de la relatividad propuesta por el físico Albert Einstein. La masa relativista aumenta a medida que la velocidad del objeto se acerca a la velocidad de la luz. La masa que no cambia se llama masa en reposo y se calcula cuando el objeto está en reposo con respecto a un observador.

Fermión semi-Dirac

Las cuasipartículas son fenómenos que surgen debido a interacciones entre partículas presentes en un objeto. Un tipo de cuasipartícula se llama fermión semi-Dirac, que tiene características diferentes. Estas cuasipartículas surgen en determinadas condiciones en algunos materiales sólidos. Además, los fermiones están presentes en dos clases: relativistas y no relativistas.

Lo sorprendente de los fermiones semi-Dirac es que se comportan de manera diferente según la dirección en la que se mueven. En una dirección, pueden comportarse como fermiones relativistas sin masa, mientras que en la otra dirección parecen poseer masa. Recientemente, un experimento logró observar fermiones semi-Dirac y analizar sus propiedades.

Experimento

Un equipo con investigadores de Penn State y la Universidad de Columbia llevó a cabo experimentos capaces de observar fermiones semi-Dirac. Se generó un intenso campo magnético mientras un trozo de sulfuro de silicio y circonio (ZrSiS) se enfriaba hasta casi el cero absoluto. Después de esto, el ZrSiS fue colocado en un campo magnético con una intensidad 900 mil veces mayor que el campo magnético de la Tierra.

La pieza de ZrSiS se iluminó con luz infrarroja para obtener datos sobre cómo reaccionan los electrones del material a la luz. El campo magnético ayuda a cuantificar los niveles de energía de los electrones y se denominan niveles de Landau que tienen valores fijos. La distancia entre estos niveles depende de la masa de los electrones y de la intensidad del campo magnético. Cuanto mayor es la intensidad, mayor es el nivel de energía de los electrones.

Observación

Durante el experimento, el grupo observó que los niveles de Landau seguían un patrón diferente al esperado para esa intensidad del campo magnético. Así, concluyeron que los electrones dentro del ZrSiS parecían perder masa cuando se movían en una dirección pero no cuando se movían en otra. Llegaron a la conclusión de que se trataba de la observación de fermiones semi-Dirac.

Cuando se movían en dirección perpendicular, los fermiones semi-Dirac parecían tener masa. Cuando se movían de forma paralela o lineal, los fermiones parecían no tener masa. La observación se considera un paso para comprender mejor este fenómeno que puede usarse en tecnología y tener aplicaciones dentro de la ciencia.

Referencia de la noticia:

Shao et al. 2024 Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal Physical Review X