Une particule change de masse selon sa direction
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Des scientifiques ont découvert par accident une particule qui possède une masse dans une direction mais en est dépourvue dans une autre. Connues sous le nom de fermions semi-Dirac, ces particules au comportement particulier ont été théorisées pour la première fois il y a 16 ans.
Un nouveau phénomène observé dans le matériau ZrSiS.
Les chercheurs ont découvert ce phénomène dans un matériau semimétal appelé ZrSiS, composé de zirconium, de silicium et de soufre, en analysant les propriétés des quasiparticules — des phénomènes résultant du comportement collectif de nombreuses particules au sein d’un matériau solide.
« C’était totalement inattendu », a expliqué Yinming Shao, auteur principal de l’étude. « Nous ne cherchions pas de fermions semi-Dirac lorsque nous avons commencé à travailler avec ce matériau, mais nous avons observé des signaux que nous ne comprenions pas — et il s’avère que nous avons fait la première observation de ces quasiparticules particulières qui se comportent parfois comme si elles avaient de la masse et d’autres fois comme si elles n’en avaient pas. »
Le concept peut sembler impossible — comment quelque chose peut-il gagner et perdre de la masse aussi facilement ? Mais l’explication réside dans la célèbre équation d’Einstein, E = mc², qui décrit la relation entre l’énergie (E) et la masse (m), avec la vitesse de la lumière (c) au carré comme constante.
Le rôle de la relativité restreinte dans les changements de masse.
Selon la théorie de la relativité restreinte, aucun objet ayant une masse ne peut atteindre la vitesse de la lumière, car cela nécessiterait une quantité infinie d’énergie. Cependant, l’inverse est également vrai : une particule sans masse qui ralentit en dessous de la vitesse de la lumière acquiert de la masse.
C’est précisément ce qui se passe avec les quasiparticules observées. Lorsqu’elles se déplacent dans une dimension spécifique au sein des cristaux de ZrSiS, elles se déplacent à la vitesse de la lumière et sont donc sans masse. Cependant, lorsqu’elles tentent de se déplacer dans une autre direction, elles rencontrent de la résistance, ralentissent et acquièrent de la masse.
Imaginez la particule comme un petit train confiné dans un réseau de rails, représentant la structure électronique du matériau, a expliqué Shao. À certains points, les rails se croisent, et notre train de particules, qui se déplaçait rapidement sur sa voie principale à la vitesse de la lumière, atteint une intersection et doit passer à une voie perpendiculaire. À ce moment, il rencontre de la résistance et acquiert de la masse. Selon la direction de son mouvement, les particules sont soit de l’énergie pure, soit possèdent de la masse.
Prédictions clés confirmées par les expériences.
Au départ, les chercheurs avaient pour objectif d’étudier les interactions quantiques dans le matériau en observant la manière dont les électrons réagissaient à la lumière. Lors de l’expérience, ils ont découvert que les niveaux d’énergie des électrons suivaient un schéma inattendu à mesure que l’intensité du champ magnétique augmentait — une prédiction clé pour les fermions semi-Dirac.
Bien que cette recherche explore la physique avancée, l’équipe estime que cette découverte pourrait conduire à des applications futures du ZrSiS similaires à celles du graphène.
« C’est un matériau en couches, ce qui signifie qu’une fois que nous saurons comment créer une seule couche de ce composé, nous pourrions exploiter la puissance des fermions semi-Dirac et contrôler leurs propriétés avec la même précision que le graphène », a déclaré Shao. La partie la plus excitante de cette expérience réside dans les données inexpliquées, ont souligné les chercheurs. Nous avons observé de nombreux mystères non résolus, et nous nous concentrons sur leur compréhension.
Lisez l’article original sur : New Atlas
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