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美國賓夕法尼亞州立大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)科學(xué)家攜手，首次觀察到一類特殊準(zhǔn)粒子——半狄拉克費米子。這類準(zhǔn)粒子在朝一個方向移動時擁有質(zhì)量，而朝另一個方向移動時則失去質(zhì)量。研究人員表示，對這些準(zhǔn)粒子開展深入研究，有望促進(jìn)下一代電池、傳感器等技術(shù)發(fā)展。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《物理評論X》雜志。

當(dāng)粒子的能量完全源自其運動時，它就沒有質(zhì)量。這意味著它本質(zhì)上是以光速傳播的純能量，如以光速移動的光子就被認(rèn)為沒有質(zhì)量。阿爾伯特·愛因斯坦的狹義相對論也指出，任何以光速運動的物體都不可能擁有質(zhì)量。

然而研究團隊表示，在固體材料中，一些行動一致的粒子（也被稱為準(zhǔn)粒子）的“一舉一動”可能與單個粒子截然不同。有些準(zhǔn)粒子僅在朝一個方向移動時才擁有質(zhì)量，而朝另一個方向移動時沒有質(zhì)量。他們將這些奇特的粒子命名為半狄拉克費米子。

2008年和2009年，來自法國南巴黎大學(xué)和美國加州大學(xué)戴維斯分校等機構(gòu)的科學(xué)家，首次從理論上預(yù)言了半狄拉克費米子的存在。

在最新研究中，賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)助理教授邵垠銘等人，在名為鋯硅硫化物（ZrSiS）的半金屬材料晶體內(nèi)，首次窺見了半狄拉克費米子的“真容”。

研究團隊在位于佛羅里達(dá)州的國家高磁場實驗室進(jìn)行了實驗。該實驗室混合磁體產(chǎn)生的持續(xù)磁場可達(dá)地球磁場的90萬倍，能使水滴等小物體懸浮起來。

在實驗中，研究團隊將一塊鋯硅硫化物冷卻至-268.9℃左右——僅比絕對零度高幾度，然后將其置于實驗室強大的磁場中，并用紅外光照射，隨后分析材料反射的光。借助這一名為磁光光譜學(xué)的技術(shù)，邵垠銘等人觀測到了鋯硅硫化物晶體內(nèi)準(zhǔn)粒子的性質(zhì)。