在粒子物理学中，
当一个粒子的能量完全来自其运动时，它可以表现为无质量状态
。这意味着它本质上是以光速传播的纯能量。例如，光子被认为是无质量的，因为它总是以光速运动。根据
爱因斯坦
（Albert Einstein）
的
狭义相对论
，以光速运动的任何物体都无法拥有质量。然而，在固体材料中，准粒子的集体行为往往与单个粒子的行为不同——它们可能仅在特定方向上显示出质量。
在一项于近期发表在《物理评论X》期刊上的研究中，一个研究团队首次观测到一种被称为“
半狄拉克费米子
”的准粒子。这类准粒子在二维系统中表现出独特的质量特性：
它们在一个方向上表现为有质量，而在垂直方向上则表现为无质量
。
虽然理论物理学家早在16年前就预言了这种特殊粒子的存在，但这种奇特的粒子此前一直未能在固体材料中被直接检测到。在新的研究中，研究团队在一种名为
ZrSiS
（锆硅硫化物）
的半金属晶体中成功证实了它的存在。这一发现
为电池、传感器等新兴技术的发展开辟了全新机遇。
2/3次幂
在典型金属中，外加磁场会引发电子的
回旋运动
，其回旋能量通常与磁场强度呈
线性关系
。而在一种被称为
石墨烯
的材料中，由于存在无质量的狄拉克费米子，其回旋能量则与磁场强度呈
平方根关
系
。相比之下，半狄拉克费米子的表现更为独特：根据理论物理学家的预测，
它们的回旋能量与磁场强度呈2/3次幂关系
。
为了实现半狄拉克费米子的理论设想，科学家最初提出通过拉伸石墨烯，直至其能带结构中的两个狄拉克点
（代表狄拉克费米子存在的特征）
在动量空间中合并。然而，这一方案面临关键挑战：单层石墨烯在达到所需应变水平之前会发生结构失效，导致这一设想无法在实践中实现。
在这项新的研究中，研究团队利用一种名为
磁光谱学
的技术，首次观测到了这种假想的准粒子。磁光谱学是一种通过
在强磁场下将红外光照射到材料上，并分析其反射光
的技术，可用于探测材料内部的量子相互作用。研究人员在美国的国家高磁场实验室
（MagLab）
将这一方法应用于ZrSiS晶体进行实验。MagLab拥有世界上最强大的连续磁场，其强度约为地球磁场的90万倍，甚至足以使水滴等小物体悬浮。
在实验中，研究人员先将一块ZrSiS样品冷却至接近绝对零度的低温，然后用红外光照射，并暴露在强磁场中以探测其量子特性。
当磁场作用于材料时，材料内的电子能级会被量子化为离散的
朗道能级
。朗道能级只具有固定值，这种能级的间距取决于电子的质量和磁场强度。随着磁场的增加，电子的能级会相应增加，且增加多少完全取决于其质量。
回旋能量与磁场强度（B）的关系。
紫色圆点表示的数据点支持了ZrSiS材料中存在半狄拉克费米子
。
（图/
Yinming Shao / Penn State
）
但在这次实验中，研究人员利用实验装置中的高能磁铁观测到，
ZrSiS晶体中的朗道能级的变化模式与传统预测完全不同——而是遵循一种取决于磁场强度的模式
。多年前，理论物理学家将这种变化模式称为“
B
2/3
幂律
”特性——这是半狄拉克费米子的标志性特征。
未来的方向
为了
理解
他们观察到的
现象，实验物理学家与理论物理学家合作，构建了一个模型来描述ZrSiS的电子结构。他们特别关注了电子可能的运动路径和交叉点。
通过详细分析，研究人员发现了交叉点处存在的半狄拉克费米子。
这些粒子在沿一条线性路径运动时表现为有质量，而在垂直路径上则呈现出无质量状态。
研究还指出，ZrSiS是一种层状材料，其结构与由碳原子组成的石墨相似，能够剥离成单原子厚度的片状——类似于石墨烯。研究团队表示，如果能将ZrSiS进一步优化为单层结构，就有望像石墨烯一样实现对半狄拉克费米子特性的精准操控，从而推动相关技术的突破。
更重要的是，这一新现象的背后仍有许多未解之谜，为未来研究开辟了新的方向。这一发现不仅丰富了对量子材料的理解，也为科学家们探索新型量子现象提供了绝佳机会。
