Обнаружена частица с нулевой массой, которая может привести к созданию следующего поколения электроники

Принстонский университет

Международная группа ученых под руководством исследователей из Принстонского университета обнаружили фермионы Вейла — неуловимые до сих пор частицы с нулевой массой, существование которых теоретически было предсказано 85 лет назад. Практическое открытие этой частицы может привести к созданию более быстродействующей и эффективной электроники, что является следствием необычайной способности таких частиц вести себя внутри кристалла как материя и антиматерия.

16 июля в журнале Science исследователи опубликовали сообщение о том, что они первыми смогли наблюдать фермионы Вейля. Эти частицы, если рассматривать их применение в электронике следующего поколения, дают возможность электрическому току протекать эффективно и почти свободно в устройствах электроники. Как полагают исследователи, возможна работа при повышенных мощностях, в особенности это касается компьютеров.

Мысль о существовании фермионов была высказана в 1929 году математиком и физиком Херманом Вейлем (Hermann Weyl), и с тех пор ученые постоянно пытались обнаружить их экспериментально, поскольку они рассматривались как потенциальные строительные блоки других субатомных частиц. Предполагалось, что эти частицы играют более важную роль, чем вездесущие, несущие отрицательный заряд электроны (когда электроны двигаются внутри кристалла). Природная сущность фермионов Вейля означает, что они могут обеспечить более стабильную и эффективную транспортировку частиц (самих фермионов) по сравнению с электронами, являющимися основными носителями электричества в современной электронике. В отличие от электронов фермионы Вейля не имеют массы и обладают большой подвижностью, а спины частиц могут совпадать с направлением их движения (правосторонние фермионы) или иметь противоположное направление (левосторонние фермионы).

Обычно частицы, подобные известным бозонам Хикса, обнаруживаются в результате мгновенных столкновений. Однако фермионы Вейля были обнаружены принстонскими учеными внутри синтетического металлического кристалла, называемого арсенидом тантала. Эту работу они проводили совместно с исследователями из Объединенного центра квантовых проблем в Пекине и из Национального университета Тайваня.

Фермионы Вейля обладают двумя характеристиками, которые могут сделать их открытие подарком для электроники будущего, в том числе для развития работ в таком интересном направлении, как создание эффективных квантовых компьютеров.

До публикации статьи в журнале Science та же группа ученых опубликовала в июне отчет в журнале Nature Communications, где теоретически была обоснована возможность существования фермионов Вейля в кристалле арсенида тантала. Руководствуясь этими результатами, исследователи из Принстонского института науки и технологии материалов (PRISM) и лаборатории Laboratory for Topological Quantum Matter в принстонском Jadwin Hall изучали и моделировали дюжины кристаллических структур прежде, чем остановились на кристалле арсенида тантала, обладающем асимметрией и имеющем разную форму верха и низа.

В эксперименте кристаллы помещаются в двухэтажный прибор, известный как туннельный спектромикроскоп, охлаждаемый почти до абсолютного нуля и подвешенный к потолку дл того, чтобы предотвратить вибрации, даже соизмеримые по размерам с размерами атома. Спектромикроскоп дает возможность определять, соответствуют ли характеристики кристалла теоретическим расчетам, то есть условиям, при которых он может содержать фермионы Вейла.

Принстонские ученые отправили кристаллы, прошедшие тест на спектромикроскопе, в калифорнийскую Национальную лабораторию Лоуренса Беркли для испытаний на воздействие фотонными лучами, прошедшими через высокоэнергетический ускоритель. Если фотонные лучи вспыхивают в кристалле, то наблюдения за формой, размером и направлением лучей позволяют судить о наличии долго существующих фермионов Вейла.

Вейл, работавший в Институте перспективных исследований, предложил свой фермион в качестве альтернативы теории относительности, созданной его коллегой Альбертом Эйнштейном. Хотя о практическом применении фермионов не говорили вообще, характеристики этой теоретически предсказанной частицы ученые интриговали почти столетие. Практическое наблюдение частицы было амбициозным экспериментом, в котором предлагалось использовать столкновение нейтронов с высокой энергией для проверки, могут ли в результате столкновения образоваться фермионы.

Охота за фермионами началась с первых дней существования квантовой теории, когда физики впервые осознали, что их уравнения, обосновывающие существование антиматерии, противоречат свойствам известных частиц, таких как электроны.