Físicos descobrem partícula com massa apenas em movimento unidirecional

Uma equipe internacional de cientistas realizou uma descoberta fascinante no campo da física, confirmando a existência de uma quase-partícula – um grupo de partículas que se comporta como uma única entidade – com uma propriedade peculiar: ela só apresenta massa efetiva quando se move em uma única direção.

Quase-partículas são entidades fundamentais em física, representando comportamentos coletivos de partículas em um material. Geralmente, a massa de uma partícula se relaciona à sua energia e resistência ao movimento. No entanto, a massa não é sempre igual. Para alguns tipos de partícula, como é o caso aqui, a massa depende da direção do movimento.

Esta quase-partícula, denominada semi-Dirac fermião, foi observada em um cristal de semi-metal ZrSiS resfriado a -269 graus Celsius – condições extremas para detectar uma quase-partícula tão rara. Sua massa efetiva varia conforme a direção do seu movimento através do material: apresenta massa ao mover-se numa direção e se comporta como se não tivesse massa na direção perpendicular.

A descoberta, publicada na revista Physical Review X, tem potencial para revolucionar campos como a física quântica e o desenvolvimento de sensores eletrônicos. A pesquisa foi conduzida utilizando magneto-espectroscopia óptica, um método que analisa a reflexão da luz infravermelha em materiais sob a influência de campos magnéticos intensos – cerca de 900.000 vezes mais fortes que o campo magnético terrestre.

Yinming Shao, físico da Universidade Estadual da Pensilvânia, descreveu a descoberta como "totalmente inesperada". Ele explicou: "Nós não estávamos procurando um semi-Dirac fermião quando começamos a trabalhar com este material, mas estávamos vendo assinaturas que não entendíamos. Acontece que tínhamos feito a primeira observação dessas quase-partículas que às vezes se movem como se tivessem massa e às vezes como se não tivessem nenhuma"

Para melhor compreensão, o Dr. Shao utilizou uma analogia: "Imagine a partícula como um pequeno trem confinado a uma rede de trilhos, que é a estrutura eletrônica subjacente do material. Em certos pontos, os trilhos se cruzam, então nosso trem de partículas está se movendo em seu trilho rápido, na velocidade da luz, mas então ele atinge uma interseção e precisa mudar para um trilho perpendicular. De repente, ele experimenta resistência, ele tem massa. As partículas são toda energia ou têm massa dependendo da direção de seu movimento ao longo dos ‘trilhos’ do material."

As partículas são classificadas como bósons ou férmions, dependendo de uma propriedade chamada spin. Os férmions de Dirac, tanto na forma típica quanto na forma de quase-partícula, possuem propriedades que aparecem em formas opostas de partículas e antipartículas. O semi-Dirac fermião observado apresenta um comportamento singular, previsto teoricamente em 2008, e agora demonstrado experimentalmente. Os pesquisadores ressaltam que ainda há muito a ser explorado, principalmente a extração de camadas únicas do cristal multicamadas de ZrSiS, antes de poderem compreender plenamente suas implicações e aplicações práticas. "A parte mais emocionante deste experimento é que os dados ainda não podem ser totalmente explicados", afirma Shao. "Há muitos mistérios não resolvidos no que observamos, então é isso que estamos trabalhando para entender"