أول ملاحظة لشبه جسيم يمتلك كتلة عندما يتحرك في اتجاه واحد!

اكتشف العلماء شبه جسيم يتصرف كما لو كان يستطيع امتلاك كتلة عند التحرك في اتجاه واحد، لكنه يصبح عديم الكتلة عندما يتحرك بزاوية قائمة. وقد لوحظت هذه الظاهرة الغريبة أثناء دراسة تضمنت بلورة كبريتيد سيليكون الزركونيوم (ZrSiS)، ويستكشف الباحثون بالفعل تطبيقاتها المحتملة في البطاريات وأجهزة الاستشعار.

وتكشف الدراسة، التي نُشرت في دورية “Physical Review X”، عن اكتشاف فرميون شبه ديراك (semi-Dirac fermion)، وهو نوع من أشباه الجسيمات تم اقتراحه لأول مرة في 2008-2009 ولكن لم يتم ملاحظته حتى الآن.

الجسيمات والكتلة

تمتلك الجسيمات دون الذرية عادة كتلة تتراوح من كتلة صغيرة للإلكترونات إلى كتلة أكبر للبروتونات والكواركات الساحرة. الفوتونات هي استثناء ملحوظ، فهي عديمة الكتلة. لقد تم مناقشة مسألة ما إذا كانت النيوترينوات لها كتلة لفترة طويلة، لكن هذا الشك أسهل في الفهم من مفهوم انتقال الجسيم بين امتلاكه للكتلة إلى عديم الكتلة.

ووفقًا لنظرية النسبية الخاصة، يجب أن تكون الأجسام التي تتحرك بسرعة الضوء عديمة الكتلة. وهذا المبدأ هو السبب الرئيسي وراء اعتبار السفر بسرعة أكبر من الضوء مشكلة. فامتلاك الكتلة يمنع الوصول إلى سرعة الضوء، وتجاوزها دون الوصول إليها أولاً أمر يتجاوز فهمنا حاليًا. إن فكرة التخلص من الكتلة لفترة وجيزة لتجاوز حد السرعة الكونية جذابة ولكنها تبدو غير محتملة.

إن أشباه الجسيمات، وهي عبارة عن مجموعات من الجسيمات التي تعمل ككيان واحد في جوانب معينة، يمكن أن تُظهر سلوكيات جماعية لا تستطيع الجسيمات الفردية أن تظهرها. وقد أدى هذا إلى الاقتراح النظري بوجود أشباه جسيمات يمكنها السفر بسرعة الضوء (وبالتالي تكون عديمة الكتلة فعليًا) في اتجاه واحد، بينما تتحرك بسرعات أبطأ من الضوء في اتجاهات أخرى.

قصة اكتشاف امتلاك كتلة في اتجاه واحد

بدأت رحلة الكشف عن فرميون شبه ديراك بتجربة لدراسة الاستجابة البصرية لكبريتيد سيليكون الزركونيوم وليس للبحث عن شبه الجسيم هذا. لقد استخدم الفريق مطيافية مغناطيسية بصرية، وهي تقنية تتضمن تسليط ضوء الأشعة تحت الحمراء على كبريتيد الزركونيوم (شبه معدن تتغير موصليته وفقًا لاتجاه التيار) مع تطبيق مجال مغناطيسي قوي وتحليل الضوء المنعكس.

ثم قاموا بتبريد البلورة إلى ما يقرب من الصفر المطلق واستخدموا أقوى مجال مغناطيسي مستدام في العالم. وكانوا يحققون في الاستجابة البصرية للمادة من خلال فحص الإشارات في الضوء المنعكس للكشف عن خصائص مثيرة للاهتمام. وفي حين أن بعض ملاحظاتهم كانت متوافقة مع التوقعات، إلا أن البعض الآخر كان محيرًا لعلماء الفيزياء.

أدرك الفريق أنهم عثروا على شيء رائع، لكنهم كانوا بحاجة إلى المساعدة لفهمه. لقد دعوا علماء الفيزياء النظرية للتعاون وتقديم نظرة أوضح للسلوك غير العادي الذي كانوا يراقبونه.

• ما هي الهندسة الطبية؟ وما هي فروعها؟
• لغز وجود الكون، هل كان لكوننا أن ينشأ من البداية؟
• قفزة نوعية في أجهزة استشعار الحركة بالتقنيات الكمومية!
• كيف تطورت الخلايا الشمسية؟ ولماذا يُستخدم السيليكون في صناعة الخلايا الشمسية؟
• اكتشاف السبب الرئيسي في انخفاض كفاءة الألواح الشمسية

التطبيقات المحتملة

إن اكتشاف فرميون شبه ديراك في بلورات كبريتيد السيليكون الزركونيوم لديه القدرة على إحداث ثورة في مجالات مختلفة، بما في ذلك تقنيات تخزين الطاقة والاستشعار. إن الخصائص الفريدة لأشباه الجسيمات هذه تجعلها مرشحًا جذابًا لتعزيز أداء البطاريات وأجهزة الاستشعار. حيث يمكن صنع بطاريات يمكن شحنها بشكل أسرع وتدوم لفترة أطول، أو أجهزة الاستشعار التي يمكنها اكتشاف حتى أدنى التغييرات في بيئتها. كما يمكن استغلال قدرة فرميون شبه ديراك على التحول بين الحالات عديمة الكتلة والحالات ذات الكتلة لإنشاء أنظمة تخزين طاقة فائقة الكفاءة.

علاوة على ذلك، فإن البنية الطبقية لبلورات كبريتيد سيليكون الزركونيوم، المشابهة للجرافيت، تفتح إمكانيات لإنشاء أجهزة أحادية الطبقة يمكنها الاستفادة من قوة الفرميون شبه ديراك. إن الجزء الأكثر إثارة في هذه التجربة هو أن البيانات لا يمكن تفسيرها بشكل كامل حتى الآن

المصادر

First Observation Of A Quasiparticle That Only Has Mass When Moving In One Direction | iflscience

Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal | physical review x