Des physiciens observent pour la première fois une particule décrite il y a plus d’une décennie

Des chercheurs ont observé pour la première fois une particule pouvant présenter ou non une masse, en fonction de la direction dans laquelle elle se déplace. Connue sous le nom de fermion semi-Dirac, celle-ci avait été prédite il y a plus d’une décennie.

Une première

Cette découverte est intervenue lors de l’étude de quasi-particules (liées au comportement collectif de nombreuses particules) dans un solide semi-métallique composé de zirconium, de silicium et de soufre (ZrSiS). L’équipe souhaitait initialement documenter les interactions quantiques au sein du matériau, en observant comment les électrons réagissaient à la lumière. Elle s’est aperçue que leur niveau d’énergie suivait un schéma inattendu à mesure que l’intensité du champ magnétique appliqué augmentait.

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« Au départ, nous étions intrigués par ces signatures étranges », explique Yinming Shao, auteur principal de la nouvelle étude, publiée dans la revue Physical Review X. « Il s’est avéré qu’il s’agissait de la première observation de fermions semi-Dirac, se déplaçant parfois comme s’ils avaient une masse et parfois comme s’ils en étaient dépourvus. »

La théorie de la relativité restreinte d’Einstein stipule qu’aucune masse ne peut atteindre la vitesse de la lumière, car cela impliquerait une quantité infinie d’énergie. Ce qui sous-entend également qu’une particule sans masse, se déplaçant à pareille allure, puisse en « gagner une » lorsqu’elle est ralentie. Selon Shao, c’est précisément ce qui s’est produit à l’intérieur des cristaux de ZrSiS.

#Scientists have observed semi-Dirac fermions, quasiparticles that are massless in one direction but have #Mass in another, in ZrSiS crystals. This discovery could impact future tech innovations. @penn_state @PhysRevX https://t.co/DtieUkfNSL https://t.co/zsjeKwc6ft

— Phys.org (@physorg_com) December 10, 2024

« Imaginez la particule comme un minuscule train confiné dans un réseau de pistes défini par la structure électronique sous-jacente du matériau », détaille-t-il. « Elle va se déplacer le long de sa piste rapide, à la vitesse de la lumière, grâce à l’application d’un champ magnétique. Lorsque la direction de ce dernier change, c’est comme si le train atteignait une intersection et devait passer sur une piste perpendiculaire. Soudain, il subit une résistance et acquiert une masse. »

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Des applications potentiellement similaires à celles du graphène

Selon l’équipe, le fait que le matériau utilisé soit stratifié suggère qu’il pourrait potentiellement trouver des applications similaires à celles du miraculeux graphène.

« 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 une précision équivalente », s’enthousiasme Shao.

En octobre, des physiciens étaient parvenus à générer des ondes sonores se déplaçant dans une seule direction.

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