Ein Teilchen, das sich je nach Richtung, in die es sich bewegt, unterschiedlich verhält: In die eine Richtung gleitet es mühelos, als hätte es kein Gewicht. In die andere Richtung scheint es jedoch eine Masse zu besitzen. Das klingt wie ein Konzept aus der Science-Fiction, ist aber genau das, was Forscher nun erstmalig beobachtet haben. Diese Teilchen, sogenannte
Halb-Dirac-Fermionen, scheinen den klassischen Gesetzen der Physik zu widersprechen und könnten das Feld der Materialwissenschaft sowie deren technologische Anwendungen revolutionieren.
Die Quasiteilchen, bekannt als Halb-Dirac-Fermionen, wurden vor 16 Jahren erstmals theoretisch vorhergesagt, aber erst kürzlich in einem halbmetallischen Material namens ZrSiS entdeckt. Die Beobachtung dieses Quasiteilchens eröffnet den Weg für künftige Fortschritte in einer Reihe aufstrebender Technologien, von Batterien bis hin zu Sensoren, so die Forscher, die diese Entdeckung gemacht haben.
Quelle: Yinming Shao / Penn State. Die Entdeckung fand in einem halbmetallischen Material mit ungewöhnlichen Eigenschaften statt: dem
ZrSiS, einem Kristall aus Zirkonium, Silizium und Schwefel. Dieses Material zeigt eine schichtartige Struktur, ähnlich wie Graphit oder das berühmte Graphen, ein ultradünnes Material. Während einer Reihe von Experimenten, bei denen es einem starken Magnetfeld sowie Infrarotstrahlen ausgesetzt wurde, begannen die Elektronen im Inneren des Kristalls sich völlig unerwartet zu verhalten. Die Forscher erkannten schnell, dass sie es mit einem ganz besonderen Teilchen zu tun hatten: den Halb-Dirac-Fermionen.
Halb-Dirac-Fermionen besitzen eine merkwürdige Eigenschaft: Je nach Richtung ihrer Bewegung erscheinen sie mal masselos, mal "beschwert". Um dieses Phänomen zu veranschaulichen, vergleichen Wissenschaftler es mit einem Zug, der mit voller Geschwindigkeit über eine Schnellstrecke rast. Sofern er sich in einer bestimmten Richtung bewegt, scheint ihn nichts aufhalten zu können. Ändert er jedoch seine Richtung, trifft er auf einen Widerstand und wirkt so, als würde er langsamer und schwerer werden. Diese Wechselwirkung zwischen einem "masselosen" und einem "mit Masse versehenen" Zustand wurde bisher in dieser Form noch nie beobachtet.
Es war Yinming Shao, der leitende Forscher dieser Studie, der die Experimente mit seinem Team durchführte. Ursprünglich bestand ihr Ziel lediglich darin, die Reaktion der Elektronen im ZrSiS zu untersuchen, wenn sie einem ansteigenden Magnetfeld und Infrarotlicht ausgesetzt werden. Doch je extremer die Bedingungen wurden, desto deutlicher zeigte sich ein außergewöhnliches Verhalten. Dieser Effekt führte letztlich zur Identifizierung der Halb-Dirac-Fermionen und bestätigte eine mehr als zehn Jahre alte theoretische Vorhersage.
Diese Entdeckung könnte eine neue Ära in der Materialforschung einläuten. Mit einem besseren Verständnis dieser Halb-Dirac-Fermionen wäre es eventuell möglich, Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften zu entwickeln, die mehrere technologische Bereiche revolutionieren könnten. Beispielsweise könnten Materialien, die vom ZrSiS inspiriert sind, zur Herstellung von elektronischen Bauteilen genutzt werden, die sowohl dünner, schneller als auch effizienter sind. Man denkt dabei etwa an Batterien der nächsten Generation, die mehr Energie auf kleinstem Raum speichern können, oder an ultrasensible medizinische Geräte.
Eine interessante Eigenschaft des ZrSiS liegt in seiner schichtartigen Struktur, die seine Untersuchung und Handhabung erleichtert. Durch die Isolation ultradünner Schichten, wie es beim Graphen der Fall war, hoffen die Forscher, die außergewöhnlichen Eigenschaften der Halb-Dirac-Fermionen noch genauer erforschen zu können. Dieser Ansatz könnte es ermöglichen, diese Teilchen für die Entwicklung neuartiger Technologien zu nutzen, darunter leistungsfähigere Quantencomputer oder Sensoren, die winzigste Veränderungen in ihrer Umgebung registrieren können.
Obwohl dieser Fortschritt einen wichtigen Meilenstein darstellt, bleiben viele Fragen offen. Warum verhalten sich diese Halb-Dirac-Fermionen auf diese Weise? Welche weiteren Überraschungen könnten sie für die Forscher bereithalten? Und vor allem: Wie können sie effektiv für konkrete Anwendungen genutzt werden? All diese Rätsel versuchen Physiker nun zu lösen.
Die Entdeckung der Halb-Dirac-Fermionen zeigt erneut, wie dynamisch die Materialforschung ist. Dieses seltsame Phänomen, erstmals im ZrSiS beobachtet, könnte unser derzeitiges Wissen grundlegend verändern und den Weg für Innovationen ebnen, die wir uns heute kaum vorstellen können. Die kommenden Jahre werden entscheidend sein, um das Potenzial dieser Teilchen zu verstehen und herauszufinden, wie sie letztlich unsere alltäglichen Technologien verbessern können. Dieser wissenschaftliche Durchbruch, so mysteriös wie beeindruckend, erinnert uns daran, dass die Materie lange noch nicht all ihre Geheimnisse preisgegeben hat.
Autor des Artikels: Cédric DEPOND
Quelle: Physical Review X