摘要：在科学探索的奇妙旅程中，科学家们近期取得了一项令人瞩目的重大突破——首次成功观察到一种极为独特的准粒子，名为半狄拉克费米子。这种神秘的准粒子具有一种超乎寻常的特性：当它朝着某一个特定方向移动时，仿佛摆脱了质量的束缚，呈现出无质量的状态；而当它转换方向，向另一个
在科学探索的奇妙旅程中，科学家们近期取得了一项令人瞩目的重大突破——首次成功观察到一种极为独特的准粒子，名为半狄拉克费米子。这种神秘的准粒子具有一种超乎寻常的特性：当它朝着某一个特定方向移动时，仿佛摆脱了质量的束缚，呈现出无质量的状态；而当它转换方向，向另一个方向行进时，却又具备了质量。
半狄拉克费米子的概念早在16年前就已被理论所预测，然而，其真实的身影却一直隐匿于宇宙的微观世界之中，直到最近，科学家们才在一种被称为ZrSiS的半金属材料晶体里，幸运地捕捉到了它那神秘的踪迹。这一具有里程碑意义的观察成果，犹如一把神奇的钥匙，为从高效电池到灵敏传感器等一系列新兴技术开启了一扇充满无限可能的大门，据参与研究的科研人员所言，其潜在的影响力简直不可估量。
这项研究由宾夕法尼亚州立大学和哥伦比亚大学的科学家们携手进行，发表在《物理评论X》期刊上。该论文的首席作者、宾夕法尼亚州立大学物理学助理教授YinmingShao感慨万分地表示，这一结果完全超乎了他们最初的预料。因为当他们着手对这种材料展开深入研究之时，都未曾刻意去寻觅半狄拉克费米子的身影。然而，在研究过程中，他们却敏锐地察觉到了一些令人费解的迹象，最终，这些迹象引导他们成功进行了对这些奇特准粒子的首次观测。
那么，究竟什么是无质量的粒子呢？当一个粒子的能量来源完全依赖于其自身的运动时，它就有可能摆脱质量的限制，从本质上来说，此时的它就像是纯粹的能量，以宇宙中最快的速度——光速进行传播。例如，我们日常生活中无处不在的光子，也就是光粒子，就被认为是无质量的存在，因为它始终以光速在浩瀚宇宙中疾驰。根据阿尔伯特・爱因斯坦所提出的狭义相对论，任何能够达到光速的物体都必然是无质量的，这是宇宙的基本法则之一。而在固体材料的微观世界里，众多粒子相互作用所产生的集体行为，也就是所谓的准粒子，其表现往往与单个的自由粒子截然不同。在这种特殊的情境下，就有可能出现粒子仅在某一个特定方向上才具有质量的奇妙现象，Shao教授曾深入浅出地解释道。
半狄拉克费米子的理论起源可以追溯到2008年和2009年，当时，包括法国巴黎南大学的科学家们以及加州大学戴维斯分校的研究团队在内的多个研究小组，凭借着他们卓越的智慧和深厚的理论功底，首次在理论层面上预测了这种神奇准粒子的存在。这些理论先驱们大胆推测，在微观世界中，或许存在着这样一类准粒子，它们所具有的质量转移属性会随着自身的运动方向而发生变化，在某一个方向上，它们如同轻盈的精灵，看似无质量；而当它们转换方向，朝着另一个方向移动时，却又像是被赋予了质量的实体。
为了确保实验能够顺利进行，并获取最为精确的数据，研究团队不辞辛劳地奔赴佛罗里达的国家高磁场实验室。该实验室所拥有的混合磁铁，它能够创造出世界上最为强大的持续磁场，其强度大约是地球磁场的90万倍。如此强大的磁场究竟有多神奇呢？它强大到足以让一些微小的物体，比如晶莹剔透的水珠，在空中轻盈地悬浮起来，仿佛摆脱了地球引力的束缚。
在这个设备的实验室里，研究人员小心翼翼地将一块ZrSiS材料冷却到-233摄氏度，这个温度仅仅比理论上的绝对零度高出几度，而绝对零度则是宇宙中可能存在的最低温度极限。在这种极度低温的环境下，材料内部的微观结构和粒子行为将会发生一系列微妙而又复杂的变化。随后，他们在将这块被冷却的材料暴露在实验室那强大无比的磁场之中的同时，用红外光对其进行照射，就如同用一把微观世界的手电筒，去照亮材料内部隐藏的量子相互作用奥秘。
当强大的磁场施加于任何一种材料之上时，材料内部电子的能量级将会发生一种极为特殊的变化——它们会被量化为一些离散的、被称为朗道能级的特定水平。这些朗道能级就像是一个个被精确划分的台阶，它们只能取固定的数值，就如同我们在攀爬楼梯时，只能一步一步地登上那些固定高度的台阶，而不存在介于两者之间的小步。这些能级之间的间距大小取决于电子的质量以及磁场的强度，按照常理来说，随着磁场强度的不断增加，电子的能量级应该会根据其质量的大小，以固定的数量逐步增加。然而，在这次的实验中，情况却截然不同，电子的能量级并没有按照预期的规律发生变化。
借助佛罗里达实验室那强大的高功率磁铁，研究人员惊奇地发现，ZrSiS晶体中朗道能级跃迁的能量变化，竟然遵循着一种与以往完全不同的、与磁场强度相关的独特模式。多年前，一些具有前瞻性的理论家们就曾经将这种特殊的模式标记为“B^(2/3)幂律”，而这，恰恰正是半狄拉克费米子所具有的一个关键特征。
为了能够深入理解他们在实验中所观察到的这些奇怪行为背后的真正原因，实验物理学家们迅速与理论物理学家们展开了紧密的合作。他们齐心协力，共同开发出了一个专门用于描述ZrSiS电子结构的复杂模型。在构建这个模型的过程中，他们尤为关注电子在材料内部可能移动和交叉的各种路径，试图以此为突破口，深入探究材料内部的电子为何会在朝着一个方向移动时失去质量，而在另一个方向上却又保持着质量。
大家可以想象一下，这些微观世界的粒子就像是一列列被限制在特定轨道网络上行驶的微型火车，而这些轨道，则是由材料的基本电子结构所构成的。在某些特定的节点上，这些轨道会相互交叉。当粒子火车沿着它原本的快速轨道高速行驶时，由于某种特殊的原因，它能够以光速自由穿梭，此时的它就像是无质量的能量体。然而，当它行驶到轨道交叉点，需要切换到一个垂直的轨道时，突然之间，它就像是遇到了一股无形的阻力，从而被赋予了质量。也就是说，这些粒子要么完全以纯粹的能量形式存在，要么就会根据它们在材料“轨道”上的运动方向，选择性地拥有质量。
经过团队成员们的不懈努力和深入分析，最终成功地揭示了交叉点处半狄拉克费米子的存在奥秘。具体来说，这些半狄拉克费米子在沿着直线路径移动时，表现得如同无质量的幽灵，轻盈自在；而当它们转向垂直方向移动时，却又迅速地变得有质量起来。ZrSiS是一种具有特殊层状结构的材料，它与我们日常生活中常见的石墨有着相似之处。石墨是由一层一层的碳原子层相互叠加而成的，而这些碳原子层又可以被小心地剥离成单层的石墨烯。石墨烯作为一种具有卓越性能的新型材料，在包括高性能电池、超级电容器、高效太阳能电池、高灵敏度传感器以及先进生物医学设备等在内的众多新兴技术领域中，都扮演着至关重要的角色，是推动这些技术不断向前发展的关键组成部分。
Shao教授满怀期待地表示，ZrSiS这种层状材料的独特结构赋予了它巨大的潜力。这意味着一旦他们能够成功攻克如何精确切割这种化合物单层的技术难题，就有可能充分利用半狄拉克费米子所蕴含的神奇力量，像操控石墨烯那样精准地控制其各种属性。不过，在这次令人兴奋的实验过程中，最让他们感到激动不已的是，他们所获取的数据中仍然存在着许多尚未被完全解释清楚的谜团。他们观察到了众多令人困惑的未解之谜，而这也正是激励他们不断努力探索、试图深入理解的强大动力源泉。
来源：飞哥聊科学i
