Kristalrooster ZrSiS (afb: Shao et al./Physical Review X)

Ik(=as) moet eerlijk bekennen dat deeltjesfysica me nooit echt getrokken heeft. Hadden we ooit alleen maar moleculen en atoom (=ondeelbaar) nu bestaat er een hele reeks wat we heel onvoorzichtig ‘elementaire’ (ondeelbare) deeltjes noemen, die vaak bij nader inzien niet zo elementair waren. Ik geloof dat alleen het elektron nog zijn status heeft behouden. Nu schijnen er een ‘deeltjes’ gevonden te zijn die alleen maar een ‘massa’ hebben als dat zich in een bepaalde richting beweegt en minder of zelfs geen als dat zich een andere kant op beweegt. Tsss, het moet toch niet gekker worden?
Dat deeltje zou al vijftien jaar geleden zijn voorspeld, maar nog nooit had iemand dat rare fenomeen (semi-Diracfermionen) te hebben waargenomen. Nu melden onderzoekers van de Columbiauniversiteit in New York en de universiteit van Pennsylvania dat zij geheel per ongeluk dergelijke deeltjes zijn tegengekomen in een van een zirkoonsiliciumsulfide (ZrSiS). “Dat was totaal onverwacht”, zegt Yinming Shao van de universiteit van Pennsylvania. “We zochten er zelfs niet na want we waren met dit materiaal bezig.”
De onderzoekers wilden weten hoe dat materiaal reageerde als dat werd blootgesteld aan een temperatuur boven het absolute nulpunt (-273°C oftewel 0 K) en bloot werd gesteld aan krachtige magneetvelden zoals die geproduceerd worden door de magneet van het nationale magneetveldlab in de VS. Die velden zijn ongeveer 900 000 keer krachtiger dan die van onze aarde. Ze werden niet teleurgesteld. “We hebben veel dingen waargenomen die we verwachtten te zien. Toen gebeurden al die andere dingen. Absoluut verwarrende dingen”, zegt Shao.
Het magneetveld dat rond het ZrSiS-kristal werd aangelegd, dwong de elektronen zich op een uiterst bizarre manier te gedragen. In plaats van de klassieke elektrische stroom te volgen, begonnen die cirkelvormige trajecten te volgen. Onder invloed van de kou begonnen de. elektronen zich ook als een zichzelf versterkende golf te gedragen en veroorzaakten zo de verschijning van iets dat doet denken aan semi-Diracfermionen.
Bevestiging kwam vervolgens uit een analyse van hoe het kristal verschillende frequenties van infrarood licht weerkaatste, terwijl de onderzoekers de magneetveldintensiteit varieerden. Om dit te begrijpen is het nuttig om te weten dat wanneer een magneetveld wordt aangelegd, de energieniveaus van de elektronen in het materiaal worden gekwantiseerd in discrete niveaus, de zogeheten Landau-niveaus. Elektronenenergieniveaus kunnen dus alleen vaste waarden hebben. Het verschil tussen deze waarden hangt af van de massa van de elektronen en de sterkte van het magneetveld.

Als het magneetveld sterker wordt, zouden de energieniveaus van elektronen in feite moeten toenemen met gedefinieerde hoeveelheden, volledig gebaseerd op hun massa. Dat is wat natuurkundigen wilden bewijzen. Dat bleek niet het geval. In het ZrSiS-kristal volgde de afstand tussen Landau-niveaus een heel ander patroon, vergelijkbaar met wat theoretici eerder hebben gepresenteerd als de belangrijkste ‘handtekening’ van semi-Diracfermionen.

Theoretici

De onderzoekers deden vervolgens een beroep op theoretische collega’s om een model te ontwikkelen dat de structuur van hun kristal beschrijft. “Stel je voor dat het deeltje een klein treintje is, opgesloten in een netwerk van sporen die worden getrokken door de onderliggende elektronische structuur van het materiaal”, zegt Shao.
“Aangedreven door het magneetveld beweegt deze trein van deeltjes zich langs zijn snelle baan, met de snelheid van het licht. Wanneer het magneetveld van richting verandert, is het alsof het een kruispunt bereikt is en opeens stuit die op weerstand. Het treintje heeft massa.”

Net als het denkbeeldige treintje van Shao concentreren de semi-Diracfermionen zich op de knooppunten van de elektronische structuur van het ZrSiS-kristal. Volgens natuurkundigen zijn die semi-Diracfermionen exotische hybriden van gewone elektronen en ongebruikelijkere, massaloze kosmische deeltjes zonder lading zoals neutrino’s.

Naast het puur theoretische belang van de waarneming zien natuurkundigen er potentiële toepassingen in. “ZrSiS is een gelaagd materiaal – zoals grafeen – wat betekent dat zodra we begrijpen hoe we een enkele laag van deze verbinding kunnen krijgen, we de kracht van semi-Diracfermionen kunnen benutten en de eigenschappen ervan met dezelfde precisie kunnen controleren als grafeen”, speculeert Shao. “Het opwindendste deel van dit experiment is dat onze gegevens nog niet volledig kunnen worden verklaard. Er blijven veel mysteries over in wat we hebben waargenomen.”

Bron: Futura-Sciences