Cientistas descobriram acidentalmente uma partícula que ganha ou perde massa dependendo da direção em que se move

Um grupo de cientistas da Universidade da Pensilvânia e da Universidade de Columbia descobriu pela primeira vez experimentalmente sinais de férmions semi-Dirac – quasipartículas teoricamente previstas há 16 anos. Sua característica surpreendente é que perdem completamente massa ao mudar a direção do movimento perpendicular à anterior. Partículas sem massa são capazes de acelerar até a velocidade da luz, o que em nosso Universo só é possível para os fótons.

Modelo do comportamento de um férmion semi-Dirac. Fonte da imagem: Penn State University

Sinais de férmions semi-Dirac foram descobertos ao estudar as propriedades quânticas de vários materiais topológicos, em particular o composto zircônio, silício e enxofre (ZrSiS), um semimetal popular entre os pesquisadores. De certa forma, sua estrutura se assemelha ao grafeno, mas ninguém ainda conseguiu arrancar dele folhas de espessura atômica. Se isso for bem sucedido e o composto demonstrar a capacidade de controlar férmions semi-Dirac, então este material encontrará muitas aplicações, desde baterias até sensores.

«Isto foi completamente inesperado”, disse Yinming Shao, professor assistente de física na Universidade da Pensilvânia e principal autor do artigo. “Nem estávamos procurando férmions semi-Dirac quando começamos a trabalhar com este material.” No entanto, observámos sinais que não conseguíamos explicar e descobrimos que pela primeira vez vimos estas quasipartículas invulgares que por vezes se movem como se tivessem massa, e por vezes como se não tivessem massa.”

Em geral, os férmions semi-Dirac não são partículas individuais independentes, mas o comportamento de grupo de partículas, em outras palavras, quase-partículas. Nesse caso, o comportamento de grupo dos elétrons levou ao fato de que ao se mover em uma direção a quasipartícula tinha massa, mas ao se mover na outra direção não.

Os pesquisadores usaram espectroscopia magneto-óptica para estudar o ZrSiS. Este método envolve iluminar um material com luz infravermelha e simultaneamente expô-lo a um forte campo magnético, após o qual a luz refletida é analisada. O campo magnético aplicado excedeu a força do campo magnético da Terra em 900 mil vezes. Tal campo é capaz de levantar pequenos objetos não magnéticos, como gotas de água, no ar. A amostra foi pré-resfriada a uma temperatura de -268,89 °C, que está apenas ligeiramente acima do zero absoluto.

«“Observamos a resposta óptica, que é como os elétrons dentro do material reagem à luz, e depois analisamos os sinais de luz para ver se havia algo interessante na física fundamental do material”, explicou Shao. “No nosso caso, vimos muitas características esperadas e características de um semimetal. Mas então apareceram propriedades completamente misteriosas.”

Para analisar os dados experimentais, os cientistas envolveram teóricos, que construíram em conjunto um modelo de comportamento das quasipartículas. Este modelo foi consistente com as previsões de férmions semi-Dirac feitas em artigos teóricos de 2008–2009. A descoberta abre novas perspectivas para o estudo de propriedades quânticas em uma área até agora inexplorada.