توصل العلماء إلى اكتشاف فيزيائي مُرضٍ ومثير للاهتمام بعد حوالي 16 عامًا من توقع إمكانيته لأول مرة: وهو كوازي جسيم (مجموعة من الجسيمات تتصرف كوحدة واحدة) لا يمتلك كتلة فعّالة إلا عند الحركة في اتجاه واحد.
في الفيزياء، تشير الكتلة عمومًا إلى خاصية من خواص الجسيمات تتعلق بأشياء مثل طاقتها ومقاومتها للحركة. ومع ذلك، ليست كل الكتل متشابهة – فبعضها يصف طاقة الجسيم في حالة السكون، على سبيل المثال، بينما قد تأخذ الكتلة أيضًا في الاعتبار طاقة حركة الجسيم.
في هذه الحالة، تصف الكتلة الفعّالة استجابة الكوازي جسيم للقوى، والتي تختلف اعتمادًا على ما إذا كانت الحركة عبر المادة صعودًا وهبوطًا، أو ذهابًا وإيابًا.
بينما تمتلك الجسيمات شبه الجزيئية العادية الكتلة نفسها بغض النظر عن اتجاه حركتها، يبدو أن الفرميون شبه ديراك (ليُعطى اسمه التقني) قيد الدراسة هنا لا يخضع للقواعد العادية.
وهو اكتشاف قد يحدث فرقًا أساسيًا في مجالات مثل فيزياء الكم وأجهزة الاستشعار الإلكترونية.
اكتشف فريق دولي من العلماء الجسيم شبه الجزيئي الجديد داخل بلورة شبه معدنية من ZrSiS، تم تبريدها إلى -452 درجة فهرنهايت (أو -269 درجة مئوية) – وهي مجموعة ظروف قاسية لجسيم شبه جزيئي نادر للغاية.
يمكن وصف الجسيمات بشكل عام على أنها بوزونات أو فرميونات، اعتمادًا على مقياس خاصية تسمى العزم المغزلي. تتميز فرميونات ديراك – في كل من الشكل النموذجي وشبه الجسيم – بخصائص تأتي في أشكال جسيم مضاد للجسيمات متضادة.
يُعد فرميون شبه ديراك المفصل في الدراسة الجديدة كائنًا غريبًا لم يكن موجودًا إلا في النظرية حتى الآن، ويعمل وفقًا لمبادئ طاقة مختلفة جدًا في الاتجاهات المتعامدة.
«لقد كان هذا غير متوقع تمامًا»، يقول عالم الفيزياء المكثفة ينمينغ شا، من جامعة ولاية بنسلفانيا. «لم نكن نبحث حتى عن فرميون شبه ديراك عندما بدأنا العمل مع هذه المادة، لكننا كنا نرى توقيعات لم نفهمها».
«اتضح أننا حققنا أول رصد لهذه الجسيمات شبه الجسيمية الغريبة التي تتحرك أحيانًا كما لو كانت لها كتلة، وأحيانًا تتحرك كما لو كانت عديمة الكتلة».
كان الباحثون يستخدمون طريقة تحليل علمية تُعرف باسم مطيافية مغناطيسية بصرية عندما حققوا هذا الاكتشاف. وهي الطريقة التي تُدرس فيها المواد عبر انعكاسات الأشعة تحت الحمراء التي تُصدرها، تحت تأثير مجال مغناطيسي قوي.
ونعني بذلك قويًا: أقوى بحوالي 900,000 مرة من المجال المغناطيسي للأرض، وذلك بفضل مختبر المجال المغناطيسي الوطني عالي القوة في فلوريدا. هذه هي الظروف الغريبة التي يستخدمها العلماء لدراسة أندر التفاعلات على أصغر المقاييس.
من هناك، تم ملاحظة وتحديد نشاط فرميون ديراك شبهي، بمساعدة بعض النمذجة العددية: [[LINK11]] عديم الكتلة [[LINK11]] في اتجاه واحد (مع وصف طاقته كلها بحركته)، ولكنه يمتلك كتلة فعّالة في اتجاه آخر. ولحسن الحظ بالنسبة لغير الفيزيائيين، يقدم الباحثون تشبيهاً.
يقول شاو:”تخيل أن الجسيم قطار صغير محصور في شبكة من المسارات، التي تمثل البنية الإلكترونية الأساسية للمادة”.
“الآن، في نقاط معينة تتقاطع المسارات، لذا فإن قطار جسيماتنا يتحرك على طول مساره السريع، بسرعة الضوء، لكنه يصطدم ب تقاطع ويحتاج إلى التحول إلى مسار عمودي.
“فجأة، يواجه مقاومة، لديه كتلة. الجسيمات إما طاقة كلها أو لها كتلة اعتمادًا على اتجاه حركتها على طول ‘مسارات’ المادة”.
إنها لحظة بارزة في الفيزياء، حتى بالنسبة لأولئك الذين [[LINK13]] افترضوا [[LINK13]] هذه الظاهرة في عام 2008. ومع ذلك، لا يزال هناك الكثير مما ينبغي استكشافه هنا – بما في ذلك معرفة كيفية استخراج طبقات مفردة من بلورات ZrSiS متعددة الطبقات – قبل أن نبدأ في التفكير في آثارها الكاملة وأي استخدامات عملية.
يقول شاو: “الجزء الأكثر إثارة في هذه التجربة هو أنه لا يمكن تفسير البيانات بالكامل حتى الآن”.
“هناك العديد من الألغاز التي لم تُحَل فيما لاحظناه، وهذا ما نسعى لفهمه”.
وقد نُشر البحث في Physical Review X.