Natuurkundigen hebben bizarre deeltjes ontdekt die soms bewegen alsof ze geen massa hebben, en zich soms juist gedragen alsof ze heel zwaar zijn. De deeltjes vertonen dit gedrag in de buurt van sterke magneetvelden.
Vreemde deeltjes die een massa hebben als ze in de ene richting bewegen, maar massaloos zijn als ze de andere kant op gaan, zijn zestien jaar geleden voor het eerst op papier gezet. Nu zijn ze waargenomen in een zogeheten ‘halfmetaal’ dat is blootgesteld aan extreme omstandigheden.
‘Dit [deeltje] is heel bizar. Je kunt je voorstellen dat je door de straten van New York loopt. Als je rechtdoor gaat, ben je superlicht en massaloos. Maar draai je 90 graden, dan word je superzwaar’, zegt natuurkundige Yinming Shao van de staatsuniversiteit van Pennsylvania. Met zijn collega’s kwam hij deze zogeheten semi-Dirac-fermionen op het spoor toen ze onderzochten hoe metalen zich gedragen onder invloed van sterke magneetvelden.
‘Het ITER-uitstel is minder dramatisch dan het lijkt’
‘ITER tien jaar vertraagd’, kopten de media. Maar de momenten waar het bij deze kernfusiereactor écht om gaat worden veel minder uitgesteld.
Wervelingen
Ze keken naar een materiaal dat bestaat uit zirkonium, silicium en zwavel. Dit is een glanzend halfmetaal, dat net als elk ander metaal elektriciteit geleidt, maar vreemde eigenschappen vertoont wanneer je het aan extreme omstandigheden blootstelt. De onderzoekers koelden een stukje ervan af tot slechts een paar graden boven het absolute nulpunt. Vervolgens plaatsten ze het in een magneetveld dat meer dan tien miljoen keer sterker was dan dat van de aarde.
Het magneetveld zorgde ervoor dat de elektronen in het halfmetaal zich bizar gingen gedragen. In plaats van vooruit te bewegen in elektrische stroompjes, zoals de stroming van een rivier, gingen ze in cirkeltjes bewegen, zoals wervelingen in het rivierwater. Omdat ze zo’n lage temperatuur hadden, waren de elektronen ook gevoelig voor quantumeffecten. Elk elektron gedroeg zich daardoor als een golf die zichzelf versterkte terwijl hij rondwervelde. Door dit gedrag kwamen de semi-Dirac-fermionen om de hoek kijken.
Om ze te bestuderen, scheen het team infrarood licht op het halfmetaal en analyseerden ze hoe dit werd weerkaatst. Dit liet zien hoe de deeltjes in het materiaal reageerden op licht. De onderzoekers onderzochten het gedrag van de semi-Dirac-fermionen door de sterkte van het magneetveld en de lichtfrequenties aan te passen.
Wispelturige massa
Shao stelt dat dit fenomeen zestien jaar geleden al uit de theorie rolde als mogelijkheid voor materialen zoals grafeen. Maar voor dit samengestelde metaal moest zijn team zelf een wiskundig model ontwikkelen, om te bevestigen dat hun metingen inderdaad wezen op het juiste exotische deeltje.
Als het magneetveld in dezelfde richting wees als de bewegende deeltjes, was het alsof ze helemaal geen massa hadden. Maar als het mageetveld haaks op de baan van de deeltjes stond, hadden ze wél massa.
Het gevonden deeltje is strikt genomen een quasideeltje. Dat is de naam voor een verschijnsel in een materiaal waarbij verschillende deeltjes elkaar sterk beïnvloeden. Dat levert gedrag op dat gemakkelijker begrepen kan worden door het geheel als een los deeltje voor te stellen.
Zoekplaatje
Materiaalwetenschapper Gilles Montambaux van de Universiteit van Paris-Sud in Frankrijk, die meewerkte aan een van de eerste wiskundige onderzoeken naar semi-Dirac-fermionen, zegt dat het gebruikte materiaal een veel complexer model vereiste dan grafeen. Hij benadrukt daarom dat de theoretische analyse van het team ‘uitzonderlijk’ is.
Natuurkundige Warren Pickett van de Universiteit van Californië, in Davis, maakte deel uit van het team dat als eerste semi-Dirac-fermionen als een nieuw type deeltje opperde. Hij zegt dat het een uitdaging moet zijn geweest om in alle meetgegevens het deeltje te vinden, omdat het halfmetaal ook veel andere deeltjes bevat die op licht reageren.
Hybride
‘Het is spannend dat de experimentalisten deze quasideeltjes konden maken in een echt quantummateriaal’, zegt natuurkundige Bruno Uchoa van de Universiteit van Oklahoma. Hij zegt dat de semi-Dirac-fermionen een soort kruising zijn van gewone elektronen die in elk metaal voorkomen, en vreemde kosmische deeltjes zoals massaloze neutrino’s.
Door hun vreemde eigenschappen kunnen de deeltjes nieuwe natuurkunde aan het licht brengen, zegt Uchoa. Ze kunnen zich bijvoorbeeld gedragen als een soort viskeuze vloeistof in het halfmetaal, en zo erg verschillen van gewone elektrische stroompjes.
Shao wijst erop dat er nog veel vragen moeten worden beantwoord over wat semi-Dirac-fermionen kunnen, voordat ze tot praktische toepassingen kunnen leiden. ‘Over dit materiaal bestaan nog veel mysteries die verder onderzocht moeten worden.’
