Los físicos encuentran una partícula que solo tiene masa cuando se mueve en una dirección: Heaven32
Los científicos han hecho un descubrimiento físico fascinante e intrigante unos 16 años después de que se predijera por primera vez que era una posibilidad: un cuasipartícula (un grupo de partículas que se comportan como una sola) que solo tiene masa efectiva cuando se mueve en una dirección.
En física, la masa generalmente se refiere a una propiedad de las partículas que se relaciona con aspectos como su energía y resistencia al movimiento. Sin embargo, no todas las masas se construyen de la misma manera: algunas describen la energía de una partícula en reposo, por ejemplo, mientras que la masa también puede tener en cuenta la energía del movimiento de una partícula.
En este caso, la masa efectiva describe la respuesta de la cuasipartícula a las fuerzas, que varía dependiendo de si el movimiento a través del material es hacia arriba y hacia abajo o hacia adelante y hacia atrás.
Mientras que las cuasipartículas regulares tienen la misma masa sin importar cuál sea su dirección de viaje, el fermión semi-Dirac (para darle su nombre técnico) que se estudia aquí no parece seguir las reglas normales.
Es un descubrimiento que podría marcar una diferencia fundamental en campos como la física cuántica y los sensores electrónicos.
La nueva cuasipartícula fue descubierta por un equipo internacional de científicos dentro de un cristal semimetálico de ZrSiS, enfriado a -452 grados Fahrenheit (o -269 grados Celsius), un conjunto extremo de condiciones para una cuasipartícula extremadamente rara.
Las partículas generalmente pueden describirse como bosones o fermiones, dependiendo de una medida de una propiedad llamada espín. Los fermiones de Dirac, tanto en forma típica como en forma de cuasipartícula, tienen propiedades que se presentan en formas opuestas de partículas y antipartículas.
Este fermión semi-Dirac detallado en el nuevo estudio es una extraña bestia que solo existía en teoría hasta ahora, operando bajo pautas de energía muy diferentes en direcciones perpendiculares.
“Esto fue totalmente inesperado”. dice Yinming Shao, físico de la materia condensada de la Universidad Estatal de Pensilvania. “Ni siquiera buscábamos un fermión semi-Dirac cuando empezamos a trabajar con este material, pero veíamos firmas que no entendíamos”.
“Resulta que habíamos hecho la primera observación de estas cuasipartículas salvajes que a veces se mueven como si tuvieran masa y otras como si no la tuvieran”.
Los investigadores estaban utilizando un método de análisis científico conocido como espectroscopía magnetoóptica cuando hicieron el descubrimiento. Es donde se estudian los materiales a través de los reflejos de luz infrarroja que emiten, bajo la influencia de un fuerte campo magnético.
Y queremos decir fuerte: unas 900.000 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra, cortesía del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Florida. Éstas son las condiciones exóticas que utilizan los científicos para estudiar las interacciones más raras en las escalas más pequeñas.
A partir de ahí, se observó e identificó la actividad del fermión semi-Dirac, con la ayuda de algunos modelos numéricos: sin masa en una dirección (con toda su energía descrita por su movimiento), pero teniendo masa efectiva en otra. Afortunadamente para quienes no son físicos, los investigadores proporcionan una analogía.
“Imagínese que la partícula es un pequeño tren confinado a una red de vías, que son la estructura electrónica subyacente del material”. dice Shao.
“Ahora, en ciertos puntos las vías se cruzan, por lo que nuestro tren de partículas se mueve a lo largo de su vía rápida, a la velocidad de la luz, pero luego llega a una intersección y necesita cambiar a una vía perpendicular.
“De repente, experimenta resistencia, tiene masa. Las partículas son todas energía o tienen masa dependiendo de la dirección de su movimiento a lo largo de las ‘pistas’ del material”.
Es un momento notable en la física, incluso para aquellos que primera hipótesis los fenómenos en 2008. Sin embargo, todavía hay mucho que explorar aquí, incluido descubrir cómo extraer capas individuales del cristal ZrSiS multicapa, antes de que podamos comenzar a pensar en todas sus implicaciones y usos prácticos.
“La parte más emocionante de este experimento es que los datos aún no se pueden explicar completamente”. dice Shao.
“Hay muchos misterios sin resolver en lo que observamos, así que eso es lo que estamos trabajando para comprender”.
La investigación ha sido publicada en Revisión Física X.