한 방향으로 움직일 때만 질량을 갖는 입자가 처음으로 관찰됨

과학자들은 처음으로, 한 방향으로 움직일 때는 질량이 없지만 반대 방향으로는 질량이 있는 준입자라고도 알려진 입자 집합을 관찰했습니다. 준디랙 페르미온이라고 불리는 이 준입자는 16년 전에 처음 이론화되었지만, 최근에야 ZrSiS라고 불리는 반금속 재료의 결정 내부에서 발견되었습니다. 연구원들에 따르면, 준입자의 관찰은 배터리에서 센서에 이르기까지 다양한 신흥 기술의 미래 발전으로 가는 문을 열었습니다.

펜실베이니아 주립대와 컬럼비아대 과학자들이 이끄는 팀은 최근 Physical Review X 저널에 연구 결과를 발표했습니다.

"이것은 전혀 예상치 못한 일이었습니다." 펜실베이니아 주립 대학의 물리학 조교수이자 논문의 주저자인 잉밍 샤오가 말했다. "우리는 이 물질로 작업을 시작했을 때 반디랙 페르미온을 찾고 있지 않았지만, 우리가 이해하지 못하는 시그니처를 보고 있었습니다. 그리고 때로는 질량이 있는 것처럼 움직이고 때로는 질량이 없는 것처럼 움직이는 이런 야생 준입자를 처음으로 관찰했다는 것이 밝혀졌습니다."

입자는 에너지가 전적으로 운동에서 파생될 때 질량을 가질 수 없습니다. 즉, 본질적으로 빛의 속도로 이동하는 순수한 에너지입니다. 예를 들어, 광자 또는 빛의 입자는 빛의 속도로 이동하기 때문에 무질량으로 간주됩니다. 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 빛의 속도로 이동하는 것은 질량을 가질 수 없습니다. 고체 물질에서 준입자라고도 하는 많은 입자의 집합적 행동은 개별 입자와 다른 행동을 가질 수 있으며, 이 경우 한 방향으로만 질량을 갖는 입자가 생겨났다고 샤오는 설명했습니다.

세미 디랙 페르미온은 2008년과 2009년에 프랑스 파리 쉬드 대학과 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 과학자들을 포함한 여러 연구팀에 의해 처음 이론화되었습니다. 이론가들은 운동 방향에 따라 질량 이동 특성을 가진 준입자가 있을 수 있다고 예측했습니다. 즉, 한 방향으로는 무질량으로 보이지만 다른 방향으로는 질량이 있을 것입니다.

16년 후, 샤오와 그의 동료들은 자기광학 분광법이라는 방법을 통해 우연히 가상의 준입자를 관찰했습니다. 이 기술은 강한 자기장에 노출된 재료에 적외선을 비추고 재료에서 반사된 빛을 분석하는 것을 포함합니다. 샤오와 그의 동료들은 ZrSiS의 은색 결정 내부에 있는 준입자의 특성을 관찰하고자 했습니다.

이 팀은 플로리다의 National High Magnetic Field Laboratory에서 실험을 수행했습니다. 이 연구소의 하이브리드 자석은 세계에서 가장 강력한 지속형 자기장을 생성하는데, 지구 자기장보다 약 900,000배 더 강합니다. 이 자기장은 너무 강해서 물방울과 같은 작은 물체를 공중에 띄울 수 있습니다.

연구진은 ZrSiS 조각을 화씨 -452도(절대 영도보다 불과 몇 도 높음, 가능한 가장 낮은 온도)까지 식힌 다음, 실험실의 강력한 자기장에 노출시키면서 적외선을 쬐어 물질 내부의 양자 상호 작용에 대해 알아보았습니다.

"우리는 광학적 반응, 이 물질 내부의 전자가 빛에 어떻게 반응하는지 연구했고, 그런 다음 빛에서 나오는 신호를 연구하여 물질 자체, 그 기본 물리학에 흥미로운 것이 있는지 확인했습니다." 샤오가 말했습니다. "이 경우, 우리는 반금속 결정에서 예상할 수 있는 많은 특징을 보았고, 그 다음에 완전히 당혹스러운 다른 모든 일이 일어났습니다."

샤오는 어떤 물질에 자기장을 가하면 그 물질 내부의 전자 에너지 레벨이 란다우 레벨이라는 불연속 레벨로 양자화된다고 설명했습니다. 이 레벨은 고정된 값만 가질 수 있는데, 마치 계단을 오르는 것과 같이 작은 계단이 하나도 없는 것과 같습니다. 이러한 레벨 사이의 간격은 전자의 질량과 자기장의 세기에 따라 달라지므로 자기장이 증가함에 따라 전자의 에너지 레벨은 전적으로 질량에 따라 정해진 양만큼 증가해야 하지만 이 경우에는 그렇지 않았습니다.

플로리다의 고출력 자석을 사용하여 연구자들은 ZrSiS 결정의 란다우 준위 전이 에너지가 자기장 강도에 따라 완전히 다른 패턴을 따른다는 것을 관찰했습니다. 수년 전, 이론가들은 이 패턴을 반디랙 페르미온의 핵심 특징인 "B^(2/3) 거듭제곱 법칙"이라고 불렀습니다.

실험 물리학자들은 관찰된 기이한 행동을 이해하기 위해 이론 물리학자들과 협력하여 ZrSiS의 전자 구조를 설명하는 모델을 개발했습니다. 그들은 특히 전자가 이동하고 교차할 수 있는 경로에 초점을 맞춰 재료 내부의 전자가 한 방향으로 움직일 때 질량을 잃는 반면 다른 방향으로는 질량을 잃지 않는 방식을 조사했습니다.

"입자가 선로 네트워크에 갇힌 작은 기차라고 상상해보세요. 선로는 재료의 기본 전자 구조입니다." 샤오가 말했다. "이제 특정 지점에서 선로가 교차하므로 입자 기차는 빠른 선로를 따라 빛의 속도로 움직이지만 교차로에 부딪혀 수직 선로로 전환해야 합니다. 갑자기 저항을 받고 질량이 생깁니다. 입자는 재료의 '선로'를 따라 움직이는 방향에 따라 모두 에너지이거나 질량이 있습니다."

팀의 분석은 교차점에 반-디랙 페르미온이 존재함을 보여주었습니다. 구체적으로, 선형 경로로 움직일 때는 무질량으로 보였지만 수직 방향으로 움직일 때는 질량이 있는 것으로 전환되었습니다. 샤오는 ZrSiS가 그래파이트와 매우 유사한 층상 물질이며, 탄소 원자 층으로 구성되어 있으며, 이를 벗겨내어 원자 한 개 두께의 그래핀 시트로 만들 수 있다고 설명했습니다. 그래핀은 배터리, 슈퍼커패시터, 태양 전지, 센서, 생체 의료 기기를 포함한 신흥 기술에서 중요한 구성 요소입니다.

"이것은 겹겹이 쌓인 물질입니다. 즉, 이 화합물을 단일 층으로 자르는 방법을 알아내면 반디랙 페르미온의 힘을 활용하여 그래핀과 같은 정밀도로 그 특성을 제어할 수 있습니다." 샤오가 말했다. "하지만 이 실험에서 가장 스릴 넘치는 부분은 아직 데이터를 완전히 설명할 수 없다는 것입니다. 우리가 관찰한 것에는 풀리지 않은 미스터리가 많기 때문에, 그것을 이해하기 위해 노력하고 있습니다."

이 논문에 참여한 다른 Penn State 연구자로는 벌크 결정 성장의 조교수인 Seng Huat Lee, 박사후 연구원인 Yanglin Zhu, 물리학, 재료 과학 및 공학, 화학 교수인 Zhiqiang Mao가 있습니다.컬럼비아 대학교의 물리학 Higgins 교수인 Dmitri Basov가 이 논문의 공동 주저자였습니다.다른 공동 저자로는 Temple University의 Jie Wang, Florida State University와 National High Magnetic Field Laboratory의 Seongphill Moon, National High Magnetic Field Laboratory의 Mykhaylo Ozerov, David Graf, Dmitry Smirnov, 네덜란드 Radboud University의 AN Rudenko와 MI Katsnelson, Princeton University의 Jonah Herzog-Arbeitman과 B. Andrei Bernevig, Harvard University의 Zhiyuan Sun, Columbia University의 Raquel Queiroz와 Andrew J. Millis가 있습니다.

미국 국립과학재단, 미국 에너지부, 사이먼스 재단이 펜실베이니아 주립 대학의 이 연구에 자금을 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241210163512.htm