Físicos encontram partícula que só tem massa quando se move em uma direção: WebCuriosos

Os cientistas fizeram uma descoberta física satisfatória e intrigante cerca de 16 anos depois de ter sido prevista pela primeira vez como uma possibilidade: uma quasipartícula (um grupo de partículas que se comportam como uma só) que só tem massa efetiva quando se move em uma direção.

Na física, massa geralmente se refere a uma propriedade das partículas que se relaciona com coisas como sua energia e resistência ao movimento. No entanto, nem todas as massas são construídas da mesma forma – algumas descrevem a energia de uma partícula em repouso, por exemplo, enquanto a massa também pode levar em conta a energia do movimento de uma partícula.

Neste caso, a massa efetiva descreve a resposta da quasipartícula às forças, que varia dependendo se o movimento através do material é para cima e para baixo, ou para frente e para trás.

Enquanto as quasipartículas regulares têm a mesma massa, independentemente da direção de deslocamento, o férmion semi-Dirac (para dar-lhe seu nome técnico) estudado aqui não parece seguir as regras normais.

É uma descoberta que pode fazer uma diferença fundamental em áreas como a física quântica e os sensores eletrônicos.

A nova quasipartícula foi descoberta por uma equipe internacional de cientistas dentro de um cristal semimetálico ZrSiS, resfriado a -452 graus Fahrenheit (ou -269 graus Celsius) – um conjunto extremo de condições para uma quasipartícula extremamente rara.

As partículas geralmente podem ser descritas como bósons ou férmions, dependendo da medida de uma propriedade chamada spin. Os férmions de Dirac – tanto na forma típica quanto na forma de quase-partícula – têm propriedades que vêm em formas opostas de partículas e antipartículas.

Este férmion semi-Dirac detalhado no novo estudo é uma coisa estranha que só existia em teoria até agora, operando sob diretrizes de energia muito diferentes em direções perpendiculares.

“Isso foi totalmente inesperado” diz físico de matéria condensada Yinming Shao, da Universidade Estadual da Pensilvânia. “Nem estávamos procurando um férmion semi-Dirac quando começamos a trabalhar com este material, mas víamos assinaturas que não entendíamos”.

“Acontece que fizemos a primeira observação destas quasipartículas selvagens que por vezes se movem como se tivessem massa e outras vezes se movem como se não tivessem nenhuma.”

Os pesquisadores estavam usando um método de análise científica conhecido como espectroscopia magneto-óptica quando fizeram a descoberta. É onde os materiais são estudados através dos reflexos de luz infravermelha que emitem, sob a influência de um forte campo magnético.

E queremos dizer forte: cerca de 900.000 vezes mais forte que o campo magnético da Terra, cortesia do Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, na Flórida. Estas são as condições exóticas que os cientistas usam para estudar as interações mais raras nas menores escalas.

A partir daí, a atividade do férmion semi-Dirac foi observada e identificada, com a ajuda de alguma modelagem numérica: sendo sem massa em uma direção (com toda a sua energia descrita pelo seu movimento), mas tendo massa efetiva em outra. Felizmente para os não-físicos, os pesquisadores fornecem uma analogia.

“Imagine que a partícula seja um pequeno trem confinado a uma rede de trilhos, que são a estrutura eletrônica subjacente do material”, diz Shao.

“Agora, em certos pontos os trilhos se cruzam, então nosso trem de partículas está se movendo ao longo de seu caminho rápido, na velocidade da luz, mas então ele atinge uma interseção e precisa mudar para um caminho perpendicular.

“De repente, ele experimenta resistência, tem massa. As partículas são todas energia ou têm massa dependendo da direção de seu movimento ao longo dos 'trilhos' do material.”

É um momento marcante na física, inclusive para quem primeira hipótese os fenômenos em 2008. Ainda há muito a explorar aqui – incluindo descobrir como extrair camadas únicas do cristal ZrSiS multicamadas – antes de podermos começar a pensar sobre todas as suas implicações e quaisquer usos práticos.

“A parte mais emocionante deste experimento é que os dados ainda não podem ser totalmente explicados”, diz Shao.

“Há muitos mistérios não resolvidos no que observamos, e é isso que estamos trabalhando para entender”.

A pesquisa foi publicada em Revisão Física X.