Пример гироида
Американские физики впервые подтвердили существование безмассовых виртуальных частиц, предсказанных немецким учёным Германом Вейлем, путём их экспериментального наблюдения. Открытие может проложить дорогу к созданию новых электронных устройств, нового типа лазеров повышенной мощности и других оптических устройств. Работы с частицами независимо провели и опубликовали Принстонский университет и Массачусетский технологический институт.
Герман Вейль в начале 20-го века учился в Гёттингенском университете у самого Давида Гильберта, был знаком с Эйнштейном, стал одним из первых последователей и популяризаторов его общей теории относительности, писал книги и статьи по математике и теоретической физике. В числе прочих своих идей в 1929 году он описал гипотетические виртуальные частицы, которые позже назвали «точки Вейля» или «фермионы Вейля».
Это локальные возмущения кристаллической решётки, которые удобно рассматривать в виде частиц (нечто, напоминающее электронные дырки). Они появились в качестве решений уравнения Дирака (описывающего движение точечной частицы с полуцелым спином). При этом ими очень удобно оперировать в теории, поскольку у них нет массы и их спиральность может быть как левой, так и правой (вектор спина может быть направлен как по, так и против направления её движения). Такие уникальные свойства позволяют использовать эти частицы в микроэлектронике будущего вместо электронов, на которых построена вся современная микроэлектроника.
Долгое время физики считали, что описанная Вейлем частица – это нейтрино, поскольку его причисляли к безмассовым частицам. Но когда в 1998 году было доказано, что у нейтрино есть масса, загадка вновь стала будоражить умы учёных.
«Физика фермионов Вейля настолько странная, что из неё вытекает невообразимое количество различных потенциальных свойств,- пояснил М. Захид Хасан, профессор физики из Принстона, руководивший исследованием.
Необычность этой квазичастицы дополняется тем, что в кристалле особого вида она будет вести себя, как магнитный монополь. Магнитных монополей также в реальности никто не наблюдал, но в качестве математических абстракций их удобно использовать в расчётах на т.н. обратной решётке (ещё одной математической абстракции, которой физики пользуются для описания дифракции рентгеновских лучей, нейтронов и электронов на кристалле). И в таких расчётах свойства фермионов Вейля крайне похожи на свойства монополей.
Данные, полученные детектором, подтверждающие наличие частиц
Сами же фермионы Вейля ведут себя, как комбинация монополь-антимонополь. Поэтому, даже частицы, имеющие противоположные заряды, могут передвигаться независимо друг от друга. Кроме этого, они способны двигаться без обратного рассеивания (отражения в направлении, обратном направлению движения) при появлении на их пути препятствий. Обычные электроны сталкиваются с препятствиями и их рассеивание повышает температуру среды.
»У них будто бы есть свой GPS-навигатор, который позволяет им изменять курс движения и избегать рассеяния,- говорит профессор Хасан. – Они упорно продолжают двигаться в одном и том же направлении, и пролетают насквозь, не останавливаясь. Они ведут себя, как пучок очень быстрых электронов, и потому их можно использовать в квантовых компьютерах нового типа".
Кристалл, в котором весело проводят время фермионы Вейля и монополи, является гироидом — это "трижды периодическая минимальная поверхность" – к сожалению, ещё один математический термин, который достаточно сложно описать простыми словами. Тем не менее, в реальности такие кристаллы существуют, и в них, среди прочего, можно наладить почти идеальную проводимость электрического тока – как в двумерном графене.
Вейль, описывая фермионы, описал и структуру полуметаллического кристалла, которую и искали в экспериментах учёные. Кристаллом, в котором впервые удалось пронаблюдать фермионы Вейля, оказался асимметричный кристалл арсенида тантала. В эксперименте его поместили в двухуровневый сканирующий туннельный микроскоп и охладили почти до абсолютного нуля, и проверили таким образом, что он имеет нужную структуру (поскольку кристаллических форм этого соединения существует изрядное количество). После этого его обстреляли пучками высокоэнергетических протонов, в процессе чего было подтверждено наблюдение в кристалле фермионов Вейля.
