Penn State Üniversitesi ve Columbia Üniversitesi’nden bilim insanları ilk kez 2008’de teorize edilen bir yönde kütleli, bir yönde ise kütlesiz hareket eden kuaziparçacığını gözlemledi.
Maddelerin temel yapı taşları hakkındaki anlayışını yeniden şekillendirebilecek bir keşfe tanıklık edildi. Araştırmacılar, ilk kez, bir yönde kütlesiz, diğer yönde ise kütleli hareket eden bir kuaziparçacığı gözlemledi.
Bu “yarı-Dirac fermiyonu” adı verilen kuaziparçacık türü, ZrSiS (zirkonyum silisyum sülfür) adlı yarı-metal kristalinde keşfedildi ve bilim insanları, bu keşfin enerji depolama, sensör teknolojileri ve daha birçok alanda çok kritik çözümlere yol açabileceğini belirtti.
Penn State Üniversitesi ve Columbia Üniversitesi öncülüğünde çalışan ekibin bulguları 10 Aralık 2024’te Physical Review X dergisinde yayınlandı.
Kuaziparçacıklar ve yarı-Dirac fermiyonları nedir?
Fizikte, kuaziparçacıklar, bir sistemdeki çok sayıda parçacığın bir araya gelerek oluşturduğu kolektif davranışlar olarak ifade ediliyor. Kuaziparçacıklar, bireysel parçacıklardan farklı olarak, belirli koşullarda tamamen yeni özellikler gösterebilir. Örneğin, katı maddelerde elektronlar topluca hareket ederek yeni tür enerji seviyeleri ve fiziksel davranışlar ortaya çıkarabilir.
Yarı-Dirac fermiyonu, teorik olarak ilk kez 2008 yılında öngörülen bir kuaziparçacık türü olarak biliniyor. Bu fermiyonlar, hareket ettikleri yönlere bağlı olarak farklı kütle özellikleri sergiliyor; bir yönde kütlesiz gibi davranırken, diğer yönde kütleli hale geliyor. Kütlesiz bir parçacık, enerjisini tamamen hareketinden alarak ışık hızıyla hareket ederken, kütleli parçacıklar bir dirençle karşılaşır ve hareketlerini sürdürmek için daha fazla enerjiye ihtiyaç duyuyor.
Bu özellikler, kuantum mekaniği ve özel görelilik teorisinin kesişiminde yer alıyor. Örneğin, ışık parçacıkları olarak nitelendirebileceğimiz fotonlar, enerjilerini tamamen hareketlerinden aldıkları için kütleye sahip değil ve ışık hızıyla hareket ediyor. Ancak yarı-Dirac fermiyonları, katı bir malzemenin içindeki kuantum etkileşimler nedeniyle hem kütleli hem de kütlesiz hareket edebiliyor.
Yarı-Dirac fermiyonlarının varlığı, ilk olarak teorisyenler tarafından 2008 yılında öngörülmüştü. Ancak bu kuaziparçacıkların gözlemlenmesi, bugüne kadar mümkün olmamıştı.
Shao ve ekibi, ZrSiS (zirkonyum silisyum sülfür) kristali üzerinde çalışırken tesadüfen bu fermiyonları keşfetti. Kullanılan yöntem, malzemeye kızılötesi ışık gönderilirken güçlü bir manyetik alan uygulanmasını içeriyordu. Bu teknik, malzeme içindeki kuantum etkileşimleri incelemek için kullanıldı.
Araştırmacılar, deneylerini Florida’daki Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı’nda gerçekleştirdi. Burada, dünyanın en güçlü ‘sürekli manyetik alanlarından’ biri kullanıldı. Bu manyetik alan, Dünya’nın manyetik alanından 900 bin kat daha güçlü, yani, su gibi manyetik özellikleri belirgin olmayan maddeleri bile havaya kaldırabilecek nitelikte.
Deney ve bulgular
ZrSiS kristali, -452 derece °F (yaklaşık -269 santigrat derece) kadar soğutularak mutlak sıfıra yakın bir ortamda incelendi. Bu esnada, kristale güçlü bir manyetik alan uygulanarak kızılötesi ışıkla tarandı. Araştırmacılar, elektronların ışığa verdiği tepkiyi inceleyerek malzemenin iç yapısına dair ipuçları arıyordu.
Manyetik alan uygulandığında, elektronların enerji seviyeleri ayrık “Landau seviyeleri” olarak bilinen seviyelere bölünüyor. Bu seviyelerin arasındaki mesafe, elektronların kütlesine ve manyetik alanın gücüne dair bağlı olarak şekilleniyor. Ancak ZrSiS kristalindeki Landau seviyeleri, beklenenden farklı bir davranış sergiledi. Araştırmacılar, teorisyenlerin yıllar önce yarı-Dirac fermiyonları için öngördüğü “B^(2/3) güç yasası”nın izlerini bu seviyelerde gözlemledi.
B^(2/3) güç yasası, yarı-Dirac fermiyonlarının enerji seviyelerinin manyetik alan şiddetine bağlı olarak nasıl değiştiğini açıklayan bir fiziksel ilke olarak tanımlanıyor. Bu yasa, elektronların enerji seviyelerinin manyetik alanın şiddetine (B) doğrusal olmayan bir şekilde, B’nin 2/3’üncü kuvvetine bağlı olarak değiştiğini gösteriyor. Bu özel davranış, yarı-Dirac fermiyonlarını diğer kuaziparçacıklardan ayıran temel bir özellik olarak görülüyor. Bu özellik, Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarında yapılan deneylerde ZrSiS kristalinde ilk kez deneysel olarak gözlemlendi.
Araştırmacılar, ZrSiS kristalindeki elektronların hareketini bir tren ağına benzetiyor. Elektronlar, malzemenin içindeki özel yollar boyunca hareket ederken, belirli noktalarda yön değiştiriyor. Örneğin, bir elektron doğrusal bir yolda hareket ederken kütlesiz gibi davranabiliyor, ancak yön değiştirdiğinde bir dirençle karşılaşarak kütleli hale geliyor. Bu davranış, yarı-Dirac fermiyonlarının benzersiz özelliklerinden biri olarak tanımlanıyor.
Yarı-Dirac fermiyonlarının keşfi, kuantum fiziği ve malzeme bilimi alanlarında yeni bir sayfa açtı. Bu kuaziparçacıkların özelliklerini anlamak, enerji depolama ve iletim teknolojilerinde büyük bir atılım yaratabilir. Keşif, bilim dünyasına yeni sorular ve potansiyel cevaplar sunarken, gelecekteki araştırmalar için güçlü bir temel oluşturuyor.
Kaynak: Penn State University
