TRADUCTION DE V
Particle that only has mass when moving in one direction observed for first time
Particule qui n'a de masse que lorsqu'elle se déplace dans une seule direction, observée pour la première fois
par Adrienne Berard, Pennsylvania State University
Une illustration de la structure calculée de ZrSiS près des points de croisement de sa structure, montrant un point semi-Dirac comme une sphère noire à gauche. Les points de données sous forme de points violets soutiennent l'existence de fermions semi-Dirac dans le matériau ZrSiS avec le comportement caractéristique de la loi de puissance B2/3 à droite. Crédit : Yinming Shao / Penn State. Adapté de Physical Review X (2024). DOI : 10.1103/PhysRevX.14.041057
Pour la première fois, des scientifiques ont observé un ensemble de particules, également connu sous le nom de quasiparticule, qui est sans masse lorsqu'elle se déplace dans une direction mais a une masse dans l'autre direction. La quasiparticule, appelée fermion semi-Dirac, a été théorisée pour la première fois il y a 16 ans, mais n'a été repérée que récemment à l'intérieur d'un cristal de matériau semi-métallique appelé ZrSiS. L'observation de la quasiparticule ouvre la porte à de futures avancées dans toute une gamme de technologies émergentes, des batteries aux capteurs, selon les chercheurs.
L'équipe, dirigée par des scientifiques de Penn State et de l'université Columbia, a récemment publié sa découverte dans la revue Physical Review X.
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"C'était totalement inattendu", a déclaré Yinming Shao, professeur adjoint de physique à Penn State et auteur principal de l'article. "Nous ne cherchions même pas un fermion semi-Dirac lorsque nous avons commencé à travailler avec ce matériau, mais nous voyions des signatures que nous ne comprenions pas - et il s'avère que nous avions fait la première observation de ces quasiparticules sauvages qui se déplacent parfois comme si elles avaient une masse et parfois comme si elles n'en avaient aucune".
Une particule peut n'avoir aucune masse lorsque son énergie provient entièrement de son mouvement, ce qui signifie qu'il s'agit essentiellement d'énergie pure se déplaçant à la vitesse de la lumière. Par exemple, un photon ou une particule de lumière est considéré comme sans masse car il se déplace à la vitesse de la lumière. Selon la théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein, tout ce qui se déplace à la vitesse de la lumière ne peut pas avoir de masse.
Dans les matériaux solides, le comportement collectif de nombreuses particules, également appelées quasiparticules, peut avoir un comportement différent de celui des particules individuelles, ce qui dans ce cas a donné naissance à des particules ayant une masse dans une seule direction, a expliqué Shao.
Les fermions semi-Dirac ont été théorisés pour la première fois en 2008 et 2009 par plusieurs équipes de chercheurs, dont des scientifiques de l'Université Paris Sud en France et de l'Université de Californie à Davis. Les théoriciens ont prédit qu'il pourrait y avoir des quasiparticules avec des propriétés de déplacement de masse en fonction de leur direction de mouvement - qu'elles apparaîtraient sans masse dans une direction mais auraient une masse lorsqu'elles se déplaceraient dans une autre direction.
Seize ans plus tard, Shao et ses collaborateurs ont accidentellement observé les quasiparticules hypothétiques grâce à une méthode appelée spectroscopie magnéto-optique. La technique consiste à projeter de la lumière infrarouge sur un matériau alors qu'il est soumis à un champ magnétique puissant et à analyser la lumière réfléchie par le matériau. Shao et ses collègues voulaient observer les propriétés des quasiparticules à l’intérieur de cristaux de couleur argentée de ZrSiS.
L'équipe a mené ses expériences au National High Magnetic Field Laboratory en Floride. L'aimant hybride du laboratoire crée le champ magnétique soutenu le plus puissant au monde, environ 900 000 fois plus fort que le champ magnétique terrestre. Le champ est si puissant qu'il peut faire léviter de petits objets tels que des gouttelettes d'eau.
Les chercheurs ont refroidi un morceau de ZrSiS à -452 °F (seulement quelques degrés au-dessus du zéro absolu, la température la plus basse possible), puis l'ont exposé au puissant champ magnétique du laboratoire tout en le frappant avec une lumière infrarouge pour voir ce qu'il révélait sur les interactions quantiques à l'intérieur du matériau.
Nous étudions la réponse optique, la façon dont les électrons à l'intérieur de ce matériau réagissent à la lumière, puis nous étudions les signaux de la lumière pour voir s'il y a quelque chose d'intéressant dans le matériau lui-même, dans sa physique sous-jacente », explique Shao. « Dans ce cas, nous avons observé de nombreuses caractéristiques que nous attendrions d'un cristal semi-métallique, puis toutes ces autres choses qui se sont produites et qui étaient absolument déroutantes. »
Lorsqu'un champ magnétique est appliqué à un matériau, les niveaux d'énergie des électrons à l'intérieur de ce matériau sont quantifiés en niveaux discrets appelés niveaux de Landau, explique Shao. Les niveaux ne peuvent avoir que des valeurs fixes, comme monter un escalier sans petites marches entre les deux. L'espacement entre ces niveaux dépend de la masse des électrons et de la force du champ magnétique, donc lorsque le champ magnétique augmente, les niveaux d'énergie des électrons devraient augmenter de quantités définies entièrement basées sur leur masse, mais dans ce cas, ce n'est pas le cas.
En utilisant l'aimant de grande puissance en Floride, les chercheurs ont observé que l'énergie des transitions de niveau de Landau dans le cristal ZrSiS suivait un modèle de dépendance complètement différent de la force du champ magnétique. Il y a quelques années, les théoriciens avaient baptisé ce modèle la « loi de puissance B2/3 », la signature clé des fermions semi-Dirac.
Pour comprendre le comportement bizarre qu'ils ont observé, les physiciens expérimentaux se sont associés à des physiciens théoriciens pour développer un modèle décrivant la structure électronique de ZrSiS. Ils se sont concentrés spécifiquement sur les voies sur lesquelles les électrons pourraient se déplacer et se croiser pour étudier comment les électrons à l'intérieur du matériau perdaient leur masse lorsqu'ils se déplaçaient dans une direction mais pas dans une autre.
« Imaginez que la particule soit un minuscule train confiné dans un réseau de voies, qui sont la structure électronique sous-jacente du matériau », a déclaré Shao. « À certains endroits, les rails se croisent, de sorte que notre train de particules se déplace sur sa voie rapide, à la vitesse de la lumière, mais il atteint ensuite une intersection et doit passer sur une voie perpendiculaire. Soudain, il subit une résistance, il a une masse. Les particules sont soit entièrement constituées d'énergie, soit ont une masse en fonction de la direction de leur mouvement le long des « rails » du matériau. »
L'analyse de l'équipe a montré la présence de fermions semi-Dirac aux points de croisement. Plus précisément, ils semblaient sans masse lorsqu'ils se déplaçaient sur une trajectoire linéaire, mais passaient à une masse lorsqu'ils se déplaçaient dans une direction perpendiculaire. Shao a expliqué que le ZrSiS est un matériau stratifié, un peu comme le graphite qui est composé de couches d'atomes de carbone qui peuvent être exfoliées en feuilles de graphène d'un atome d'épaisseur. Le graphène est un composant essentiel des technologies émergentes, notamment des batteries, des supercondensateurs, des cellules solaires, des capteurs et des dispositifs biomédicaux.
« Il s’agit d’un matériau stratifié, ce qui signifie qu’une fois que nous aurons compris comment obtenir une seule couche de ce composé, nous pourrons exploiter la puissance des fermions semi-Dirac et contrôler ses propriétés avec la même précision que le graphène », a déclaré Shao. « Mais la partie la plus passionnante de cette expérience est que les données ne peuvent pas encore être entièrement expliquées. Il y a de nombreux mystères non résolus dans ce que nous avons observé, c’est donc ce que nous travaillons a comprendre
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COMMENTAIRES
Je veux bien admettre les résultats expérimentaux évoqués mais refuse l'assimilation de ce type de quasi particules a de vrais photons typiques :ou biren ils se déplacent à la vitesse c et ont une masse nulle (en mouvement),
ou bien leur vitesse est inférieure à c et ils présentent une pseudo masse faible mais effective .... Pour moi il ne s 'agit pas d'une sorte de ''super photons ''mais photons super polarisés !!!!!
Les photons peuvent voyager à la vitesse de la lumière car ils n'ont pas de masse (grâce à la relativité).
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More information: Yinming Shao et al, Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal, Physical Review X (2024). DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041057
Journal information: Physical Review X
Provided by Pennsylvania State University
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