Massa ou energia? Descoberta partícula que só tem massa quando se move numa direção

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/12/2024

Ilustração da estrutura do ZrSiS próximo aos pontos de cruzamento de sua estrutura, mostrando um ponto semi-Dirac como uma esfera preta, à esquerda. Os pontos de dados (roxos) fundamentam a existência dos férmions semi-Dirac, com o comportamento característico da lei de potência B^2/3, à direita.
[Imagem: Yinming Shao/Penn State]

Quasipartícula que é massa ou energia

Pela primeira vez, físicos observaram uma quasipartícula - uma coleção de partículas que agem como se fossem uma só - que não tem massa quando se move numa direção, mas tem massa quando se move na outra direção.

A quasipartícula, chamada férmion semi-Dirac, foi teorizada pela primeira vez há 16 anos, mas só recentemente foi localizada dentro de um cristal de um material chamado ZrSiS (zircônio-silício-enxofre), por sua vez conhecido como semimetal de Dirac.

"Isso foi totalmente inesperado," disse Yinming Shao, da Universidade do Estado da Pensilvânia, nos EUA. "Nem estávamos à procura de um férmion semi-Dirac quando começamos a trabalhar com este material, mas víamos assinaturas que não entendíamos - e descobrimos que fizemos a primeira observação dessas quasipartículas, que por vezes se movem como tendo massa, e às vezes se movem como se não tivessem massa."

Uma partícula não pode ter massa quando sua energia deriva inteiramente do seu movimento, o que significa que ela é essencialmente energia pura viajando à velocidade da luz. Por exemplo, um fóton, ou partícula de luz, é considerado sem massa porque se move à velocidade da luz. De acordo com a teoria da Relatividade Especial, qualquer coisa que viaje à velocidade da luz não pode ter massa.

Nos materiais sólidos, o comportamento coletivo de muitas partículas, também conhecidas como quasipartículas, pode ser diferente do comportamento das partículas individuais, o que neste caso deu origem a partículas com massa em apenas uma direção.

Além de comprovar a teoria, a observação da quasipartícula abre as portas para avanços futuros em uma série de tecnologias emergentes, incluindo baterias, sensores, supercapacitores, células solares e dispositivos biomédicos.

Os elétrons se movem no material de modo muito estranho, mas a assinatura semi-Dirac é clara.
[Imagem: Yinming Shao et al. - 10.1103/PhysRevX.14.041057]

Pura energia ou massa

A equipe estava estudando como os elétrons dentro do ZrSiS respondem à luz e ao magnetismo. "Neste caso, vimos muitas características que esperaríamos em um cristal semimetálico, e depois todas estas outras coisas acontecendo que eram absolutamente intrigantes," contou Shao.

Quando um campo magnético é aplicado a qualquer material, os níveis de energia dos elétrons dentro desse material são quantizados em níveis discretos, chamados níveis de Landau. Esses níveis só podem ter valores fixos, como subir uma escada exigirá sempre ascender por degraus já definidos. O espaçamento entre esses níveis depende da massa dos elétrons e da força do campo magnético - à medida que o campo magnético aumenta, os níveis de energia dos elétrons devem aumentar em quantidades definidas com base inteiramente em sua massa.

O problema é que, neste material, os elétrons não se comportaram desse modo. A equipe então foi para o Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, na Flórida. O ímã híbrido do laboratório cria o campo magnético sustentado mais poderoso do mundo, cerca de 900 mil vezes mais forte do que o campo magnético da Terra - o campo é tão forte que consegue levitar pequenos objetos, como gotas de água. Ao mesmo tempo, eles resfriaram sua amostra de ZrSiS até perto do zero absoluto e a iluminaram com luz infravermelha.

Então a "mágica" aconteceu, e os dados confirmaram que os elétrons se movem no material de modo muito estranho. "Imagine que a partícula seja um pequeno trem confinado a uma rede de trilhos, que são a estrutura eletrônica subjacente do material," explicou Shao. "Agora, em certos pontos os trilhos se cruzam, então nosso trem de partículas está se movendo rápido ao longo do seu caminho, na velocidade da luz, mas então ele atinge uma interseção e precisa mudar para um trilho perpendicular. De repente, ele experimenta resistência, tem massa. As partículas são todas energia ou têm massa, dependendo da direção do seu movimento ao longo dos ‘trilhos’ do material."

O material é interessante do ponto de vista prático porque ele pode ser esfoliado em camadas, como o grafeno.
[Imagem: Yinming Shao et al. - 10.1103/PhysRevX.14.041057]

Similar ao grafeno

O ZrSiS é um material em camadas, muito parecido com o grafite, que é composto de camadas de átomos de carbono que podem ser esfoliadas em folhas de grafeno, com a espessura de um átomo. O grafeno é um componente crítico em inúmeras tecnologias emergentes, e o semimetal de Dirac poderá seguir esse roteiro.

"Ele é um material em camadas, o que significa que, assim que descobrirmos como cortar uma única camada deste composto, poderemos aproveitar o poder dos férmions semi-Dirac e controlar suas propriedades com a mesma precisão do grafeno," disse Shao. "Mas a parte mais emocionante deste experimento é que os dados ainda não podem ser totalmente explicados. Há muitos mistérios não resolvidos no que observamos, e é nisso que estamos trabalhando para compreender."

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