Физики давно ищут аксионы — гипотетические субатомные частицы, которые могут объяснить загадочную тёмную материю, составляющую значительную часть массы Вселенной, но не взаимодействующую с обычным веществом. Несмотря на десятилетия экспериментов, ни одного настоящего аксиона обнаружено не было. Однако недавний прорыв позволяет взглянуть на аксионы с новой стороны: учёным впервые удалось создать их имитацию в лабораторных условиях.
16 апреля 2024 года в журнале Nature команда исследователей под руководством химика Суян Сюй из Гарвардского университета объявила о получении аксионоподобных квазичастиц в тонком слое особого материала — теллурида висмута и марганца. Это достижение стало результатом пятнадцатилетних попыток воплотить идею, впервые предложенную в 2010 году.
Квазичастицы-имитаторы аксионов возникают благодаря коллективному поведению множества частиц внутри материала. Эти квазичастицы ведут себя почти так же, как и предполагаемые аксионы, что подчёркивает важность работы. Как отметил эксперт по конденсированным средам Соншик О из Ратгерского университета, не участвовавший в исследовании: «Это первое наблюдение чего-то подобного аксионам». Суян Сюй, руководитель исследования, пояснил: «Они ведут себя почти точно так же, как аксионная частица». Его коллега из Гарварда, Цзянсян Цю, добавил: «Это, по сути, определение этой аксионной квазичастицы».
Ключевым материалом для создания таких квазичастиц стал теллурид висмута и марганца, впервые полученный в 2019 году. В этом материале электрическое и магнитное поля необычно связаны между собой: воздействие электрическим полем вызывает намагничивание, и наоборот. Образование аксионной квазичастицы происходит, когда связь между электрическим полем и намагниченностью начинает осциллировать — колебаться особым образом.
Для создания квазичастиц исследователи использовали лазер, чтобы возбудить в материале магнон — волну намагниченности. Вторым лазером они измеряли намагниченность, фиксируя характерные для аксионов осцилляции связи между электрическим полем и намагниченностью. Предыдущие наблюдения аксионоподобных квазичастиц в других материалах были косвенными, но этот эксперимент впервые дал прямое, однозначное свидетельство их существования.
Открытие открывает перспективу создания нового типа детекторов для поиска настоящих аксионов. Предполагается, что если реальный аксион попадёт в область магнитного поля около теллурида висмута и марганца, он сможет преобразоваться в фотон. Этот фотон, в свою очередь, вступит во взаимодействие с аксионной квазичастицей, усиливая сигнал, что позволит зафиксировать частицу.
Обнаружение аксионоподобных квазичастиц в лаборатории не только демонстрирует уникальные свойства новых материалов, но и создаёт платформу для поиска реальных аксионов. Это может привести к прямому обнаружению одной из самых загадочных частиц Вселенной и, возможно, раскрыть природу тёмной материи.
Изображение носит иллюстративный характер
16 апреля 2024 года в журнале Nature команда исследователей под руководством химика Суян Сюй из Гарвардского университета объявила о получении аксионоподобных квазичастиц в тонком слое особого материала — теллурида висмута и марганца. Это достижение стало результатом пятнадцатилетних попыток воплотить идею, впервые предложенную в 2010 году.
Квазичастицы-имитаторы аксионов возникают благодаря коллективному поведению множества частиц внутри материала. Эти квазичастицы ведут себя почти так же, как и предполагаемые аксионы, что подчёркивает важность работы. Как отметил эксперт по конденсированным средам Соншик О из Ратгерского университета, не участвовавший в исследовании: «Это первое наблюдение чего-то подобного аксионам». Суян Сюй, руководитель исследования, пояснил: «Они ведут себя почти точно так же, как аксионная частица». Его коллега из Гарварда, Цзянсян Цю, добавил: «Это, по сути, определение этой аксионной квазичастицы».
Ключевым материалом для создания таких квазичастиц стал теллурид висмута и марганца, впервые полученный в 2019 году. В этом материале электрическое и магнитное поля необычно связаны между собой: воздействие электрическим полем вызывает намагничивание, и наоборот. Образование аксионной квазичастицы происходит, когда связь между электрическим полем и намагниченностью начинает осциллировать — колебаться особым образом.
Для создания квазичастиц исследователи использовали лазер, чтобы возбудить в материале магнон — волну намагниченности. Вторым лазером они измеряли намагниченность, фиксируя характерные для аксионов осцилляции связи между электрическим полем и намагниченностью. Предыдущие наблюдения аксионоподобных квазичастиц в других материалах были косвенными, но этот эксперимент впервые дал прямое, однозначное свидетельство их существования.
Открытие открывает перспективу создания нового типа детекторов для поиска настоящих аксионов. Предполагается, что если реальный аксион попадёт в область магнитного поля около теллурида висмута и марганца, он сможет преобразоваться в фотон. Этот фотон, в свою очередь, вступит во взаимодействие с аксионной квазичастицей, усиливая сигнал, что позволит зафиксировать частицу.
Обнаружение аксионоподобных квазичастиц в лаборатории не только демонстрирует уникальные свойства новых материалов, но и создаёт платформу для поиска реальных аксионов. Это может привести к прямому обнаружению одной из самых загадочных частиц Вселенной и, возможно, раскрыть природу тёмной материи.
