Новый дом для фермионов Вейля: самые капризные квазичастицы

Физики Эндрю Кристиансон (Andrew Christianson) и Стюарт Калдер (Stuart Calder) из Национальной лаборатории Ок-Ридж, США обнаружили, что кристаллическая решетка оксида осмия удовлетворяет условиям, необходимым для существования загадочных квазичастиц. До этого физикам потребовалось 85 лет, чтобы экспериментально доказать их существование.

Квазичастицы, не имеющие массы, но ведущие себя как частицы, предсказал в 1929 году немецкий физик Герман Вейль. Экспериментально доказать их существование удалось только в прошлом году, когда группа исследователей из Принстонского университета установила, что фермионы Вейля существуют в кристаллической решетке арсенида тантала.

Фермион Вейля можно представить как некое возмущение кристаллической решетки, которое перемещается в кристалле подобно частице. Существовать они могут не во всех материалах, а только в кристаллических решетках с весьма оригинальными свойствами. До 2015 года было неизвестно, существуют ли такие материалы вообще.

Кристиансон и Калдер обнаружили новый материал, в котором капризные фермионы теоретически возможно обнаружить: это оксид самого плотного металла, осмия, с формулой Cd₂Os₂O₇. Кристаллы Cd₂Os₂O₇ удовлетворяют двум критериям Вейля: во-первых, в них наблюдается особое магнитное состояние вещества, а во-вторых, особенности электронной оболочки осмия обуславливают сильное спин-орбитальное взаимодействие.

Чтобы доказать, что магнитный момент электронов в оксиде осмия точно соответствует расчетам Вейля, Кристиансон и Калдер пропускали через кристалл пучки нейтронов: на фотографии физики держат инструмент, которым они пользовались для нейтронографии.

От фермионов Вейля ждут многого. В силу своей безмассовой природы они перемещаются очень быстро — быстрее, чем электроны. Ученые считают, что ими можно заменить электроны в электрических цепях. Кроме скорости, от электронов их отличает способность проходить сквозь препятствия, которые непреодолимы для электронов. С этими свойствами квазичастиц связаны надежды на их применение в электронике и вычислительной технике. В том числе и в квантовых компьютерах.

Ученые отмечают, что в их открытии принципиально важен основной элемент кристаллической решетки: до сих пор многие физики рассматривали в качестве потенциальных «домов» для фермионов Вейля только соединения иридия. Исследование Кристиансона и Стюарта доказало, что осмий тоже перспективен для подобных исследований.