科学家们偶然发现了一种粒子，它在一个方向上运动时有质量，但在不同方向上运动时却没有质量。具有这种奇异行为的粒子被称为“半狄拉克费米子”，在16年前首次被预测出来。
这一发现是在研究准粒子特性时，在一种名为“ZrSiS”的半金属材料中发现的，该材料由锆、硅和硫组成。它们来自固体材料中许多粒子的集体行为。
“这完全出乎意料，”该研究的第一作者邵银明说。“当我们开始研究这种材料时，我们甚至没有在寻找半狄拉克费米子，但我们看到了我们不理解的特征 —— 事实证明，我们首次观察到这些野生准粒子，它们有时像有质量一样运动，有时像没有质量一样运动。”
这听起来像是一个不可能的壮举 —— 一个东西怎么能轻易地增加和减少质量呢？但它实际上回到了每个人都听说过但许多人可能不理解的经典公式 —— E=mc2。这描述了粒子的能量（E）和质量（m）之间的关系，以及光速（c）的平方。
根据爱因斯坦的狭义相对论，任何有质量的东西都不可能达到光速，因为要把它加速到那个速度需要无限的能量。但是，当你把它颠倒过来时，有趣的事情发生了 —— 如果一个无质量的粒子从光速减速，它实际上会获得质量。
这就是这里正在发生的事情。当准粒子在ZrSiS晶体内沿一维方向运动时，它们以光速运动，因此是无质量的。但一旦它们试图朝不同的方向移动，就会遇到阻力，减速并增加质量。
研究人员说：“想象一下，粒子是一列被限制在轨道网络中的微小火车，轨道是材料的底层电子结构。现在，在某些点上，轨道相交，所以我们的粒子列车以光速沿着其快速轨道移动，但随后它碰到一个十字路口，需要切换到垂直轨道。突然间，它遇到了阻力，它有质量。这些粒子要么全是能量，要么有质量，这取决于它们沿着物质的‘轨迹’运动的方向。”
研究人员最初打算通过观察材料中的电子对光的反应来研究材料中的量子相互作用。他们发现，随着磁场强度的增加，电子的能级遵循一种意想不到的模式，这被证明是半狄拉克费米子的关键预测。
虽然这是相当高概念的物理，但研究小组表示，这一发现最终可能会为ZrSiS开辟一系列类似于石墨烯的应用。
研究人员表示：“这是一种分层材料，这意味着一旦我们能够弄清楚如何将这种化合物单层切割，我们就可以利用半狄拉克费米子的力量，以与石墨烯相同的精度控制其特性。但这个实验最令人兴奋的部分是，这些数据还不能完全解释。在我们的观察中有许多未解之谜，所以这就是我们正在努力理解的。”
这项研究发表在《物理评论X》杂志上。
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