Пенсионный советник

Фермион Вейля не хуже бозона Хиггса

Ученые обнаружили частицу, предсказанную почти век назад

Григорий Колпаков 17.07.2015, 08:25
Увеличенная фотография кристалла с монеткой для понимания масштаба quora.com
Увеличенная фотография кристалла с монеткой для понимания масштаба

Предсказанная почти век назад квазичастица под названием «фермион Вейля» обнаружена учеными и может стать толчком к развитию электроники, в том числе и квантового компьютера.

Есть надежда, что в обозримом будущем электроника, в том числе и вычислительная, сможет перейти от электронов к другим носителям тока — несуществующим, но все-таки как бы имеющим место быть, то есть к так называемым квазичастицам, и тем самым крайне увеличит свое быстродействие. В данном случае имеются в виду квазичастицы под названием «фермионы Вейля», которые после 85 лет поисков были-таки обнаружены международной командой исследователей во главе с лабораторией Принстонского университета. Сообщение об этом появилось в последнем выпуске журнала Science, что уже само по себе говорит о важности открытия.

85 лет назад Герман Клаус Гуго Вейль, немецкий математик и физик-теоретик, в ходе дискуссии со своим коллегой по Высшей технической школе Цюриха Альбертом Эйнштейном по поводу фермионов — элементарных частиц с полуцелым спином, к которым, в частности, относится и электрон, — выдвинул гипотезу о существовании безмассового фермиона, причем с довольно фантастическими свойствами.

Будучи квазичастицей, фермион Вейля представляет собой некое локальное возмущение кристаллической решетки, которое передвигается по ней, словно частица. По идее Вейля такие фермионы могут появляться в кристаллах полуметаллов, причем эти кристаллы должны обладать особой асимметрией.

По словам одного из авторов статьи, пристонского профессора Захида Хасана, фермионы Вейля — очень странные частицы, обладающие свойствами, «которые даже трудно себе представить». Но что самое главное — эти фермионы с успехом могут заменить электроны в электрических цепях. Они ведут себя как безмассовые электроны и потому намного более подвижны. В отличие от электронов они не подвержены так называемому обратному рассеянию, при котором частица наталкивается на препятствие и теряется для тока, вдобавок генерируя тепло. Фермионы же Вейля просто проходят сквозь это препятствие, словно не замечая его, либо обтекают его.

«Они обходят препятствия, как будто в них встроен собственный GPS, — рассказал профессор Захид Хасан. — Они словно очень быстрые электроны, которые, подобно световому лучу, летят в одном направлении, они смогут очень пригодиться при создании новых типов квантового компьютера».

Описывая свои фермионы, Герман Вейль фактически описал структуру полуметаллического кристалла, в котором они могут возникнуть, и поэтому главная проблема для исследователей состояла в том, чтобы найти такой кристалл, если он вообще существует. Принстонская команда этот кристалл обнаружила и описала его за месяц до своего открытия: им оказался довольно экзотический арсенид тантала. Кристаллических форм у этого соединения мышьяка с танталом существует довольно много, и с помощью коллег из университетской лаборатории Джедуин Холл и принстонского Института науки и технологии материалов ученые выбрали из них нужную, с соответствующей асимметрией в нижней и верхней части кристалла. Оставалось создать этот кристалл и найти в нем искомые фермионы.

Кристалл был создан, протестирован с помощью двухэтажного сооружения под названием «сканирующий туннельный спектромикроскоп» и направлен в Калифорнию в Национальную лабораторию Лоуренса Беркли, где был помещен в ускоритель и просвечен пучком фотонов высокой энергии.

Форма, размер и направление луча, пронзившего кристалл, однозначно подтвердили теоретические предсказания о присутствии там фермионов Вейля.

Ученые в восторге, и даже не столько от открытия и перспектив, которые оно сулит в будущем, сколько от самого поиска фермионов Вейля.

Принстонский физик Су-Ян Сюй, возглавляющий исследование, утверждает, что впервые столкнулся с таким соединением теории и эксперимента.

«Наша работа сильно отличается от всего, что мы делали раньше. Обычно теоретики говорят, нам что возможно соединение с интересными свойствами, а тут мы сами и предсказали это соединение, и подтвердили правильность своего предсказания. Это было потрясающее соединение рационального, логического мышления и проблесков истинного вдохновения», — резюмировал исследователь.