Estranho! Partícula que só tem massa quando se move em uma direção específica é observada

A Física da Matéria Condensada é uma área da Física que estuda os estados da matérias e as interações entre átomos e moléculas. Por ser importante para tecnologia com fenômenos como magnetismo e supercondutividade, ela tem ganhado mais força nos últimos anos. Com o avanço da área, cada vez mais fenômenos são encontrados e físicos tentam explicar como, por exemplo, as quasipartículas.

As quasipartículas são fenômenos que chamam atenção dentro da área já que elas se referem a fenômenos em materiais. Esses fenômenos surgem a partir das interações coletivas entre as partículas reais presentes em um material. Elas podem possuir propriedades como carga e massa podendo facilitando os cálculos e a descrição de um coletivo. No entanto, elas não são partículas reais.

Pesquisadores da Penn State e da Columbia University conseguiram observar uma quasipartícula com um comportamento estranho. Após a realização de experimentos, os pesquisadores perceberam que a massa da quasipartícula varia dependendo da direção em que ela se move. Essa observação chamou a atenção do grupo que publicou os resultados na Physical Review X.

Massa

A energia de uma partícula depende de dois termos, sendo um termo de repouso e um termo que depende da velocidade. Quando a energia de uma partícula depende apenas do termo cinético, ela pode não ter massa. Um exemplo de partículas assim são os fótons que se movem na velocidade limite. Algo só pode chegar na velocidade da luz quando não possui massa.

A massa relativística é um conceito da teoria da relatividade especial que foi proposta pelo físico Albert Einstein. A massa relativística aumenta à medida que a velocidade do objeto se aproxima da velocidade da luz. A massa que não muda é chamada de massa de repouso e é calculada quando objeto está em repouso em relação a um observador.

Férmions de Semi-Dirac

As quasipartículas são fenômenos que surgem devido à interações entre partículas presentes em um objeto. Um tipo de quasipartícula é chamado de férmion de Semi-Dira que apresentam características diferentes. Essas quasipartículas surgem em dadas condições em alguns materiais sólidos. Além disso, os férmions estão presentes em duas classes: relativísticas e não-relativísticas.

O que chama atenção nos férmions de Semi-Dirac é que eles se comportam de forma diferente dependendo da direção em que se movem. Em uma direção, eles podem se comportar como férmions relativísticos sem massa enquanto em outra direção parecem possuir massa. Recentemente, um experimento foi capaz de observar férmions de Semi-Dirac e analisar suas propriedades.

Experimento

Uma equipe com pesquisadores da Penn State e da Columbia University realizou experimentos capazes de observar os férmions de Semi-Dirac. Um campo magnético intenso foi gerado enquanto um pedaço de sulfeto de silício de zircônio (ZrSiS) foi esfriado até próximo do zero absoluto. Após isso, o ZrSiS foi colocado no campo magnético com 900 mil vezes a intensidade do campo magnético terrestre.

O pedaço de ZrSiS foi iluminado com luz infravermelha de forma a obter dados sobre como os elétrons dentro do material reagem à luz. O campo magnético ajuda a quantizar os níveis de energia dos elétrons e são chamados de níveis de Landau que tem valores fixos. A distância entre esses níveis depende da massa dos elétrons e intensidade do campo magnético. Quanto maior a intensidade, maior o nível de energia dos elétrons.

Observação

Durante o experimento, o grupo observou que os níveis de Landau seguiam um padrão diferente do que era esperado para aquela intensidade do campo magnético. Dessa forma, eles concluíram que os elétrons dentro do ZrSiS parecia perder massa quando se moviam em uma direção mas não quando se moviam em outra. Eles chegaram a conclusão que se tratava da observação de férmions de semi-Dirac.

Quando se moviam em uma direção perpendicular, os férmions de semi-Dirac pareciam possuir massa. Quando se moviam de forma paralela ou linear, os férmions pareciam não apresentar massa. A observação é considerada um passo para compreender melhor esse fenômeno que pode ser usado na tecnologia e ter aplicações dentro da Ciência.

Referência da notícia

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