Квазичастицы, которые ведут себя как безмассовые фермионы, известные как фермионы Вейля, были в центре ряда захватывающих открытий в физике конденсированных сред в последние годы. Группа физиков Себастьян Хубер из ETH Zurich теперь сообщает об экспериментах, в которых они получили представление об одном из определяющих свойств фермионов Вейля — их хиральности.

«Акустический кристалл Вейля», используемый группой Себастьяна Хубера в ETH Zurich для изучения эффектов фонового поля, которое по-разному связывается с фермионами Вейля с противоположной киральностью. Фигурка Лего для весов. Фото: ETH Zurich / D-PHYS Хайди Хостеттлер

«В своей работе я всегда старался соединить истину с прекрасным; когда мне приходилось выбирать одного из них, я всегда выбирал то, что было красиво ». Эта цитата украшает стену ниши в комнате Германа Вейля в главном здании ETH Zurich за скульптурой немецкого математика, физика и философ Герман Вейль, который был профессором высшей математики в ETH с 1913 по 1930 годы.

За это время Вейль создал релятивистское волновое уравнение для описания безмассовых частиц со спином 1/2, которые сейчас известны как фермионы Вейля. Выступая сегодня в журнале Nature Physics , Валерио Пери и его коллега Марк Серра-Гарсия в группе Себастьяна Хубера в Институте теоретической физики ETH Zurich вместе с Рони Иланом из Тель-Авивского университета (Израиль) сообщают об экспериментальном исследовании. в которой они наблюдали интригующую и концептуально далеко идущую особенность проверенной временем теории Вейля: возможное фоновое поле, которое по-разному сочетается с фермионами Вейля противоположной киральности.

Безмассовые фермионы никогда не наблюдались в природе. Сегодня мы знаем, что фермионы Вейля возникают как коллективные возбуждения, так называемые квазичастицы, в системах многих тел. Это было реализовано экспериментально в 2015 году в кристаллическом материале, в котором фермионы Вейля появляются в качестве особых точек в структуре электронных зон. Было также показано, что такие точки Вейля существуют в сконструированных периодических структурах, взаимодействующих с классическими волнами, в частности с электромагнитными волнами (в фотонных кристаллах) и с акустическими волнами (в фононных кристаллах). Пери и его коллеги приняли фононную платформу, состоящую из 4800 тщательно продуманных элементарных ячеек с трехмерной печатью, расположенных в трехмерной структуре (на фото выше), в которой они взаимодействуют с воздушными звуковыми волнами.

Такие акустические метаматериалы были известны в качестве подходящих платформ для изучения физики Вейля, но исследователи ETH внесли важный вклад в историю. Они создали фоновое поле, которое взаимодействует с фермионами Вейля таким же образом, как магнитное поле взаимодействует с электронными возбуждениями в кристалле. Поскольку звуковые волны не несут заряда и поэтому инертны к магнитным полям, Peri et al. пришлось искать другие способы манипулирования квазичастицами в их системе. Они сделали это, слегка изменив геометрию элементарных ячеек, так что пространственное положение, в котором появляются точки Вейля (в импульсном пространстве), варьировалось по всей выборке. Эта модификация заставляет их акустическую систему вести себя как электронная система, погруженная в магнитное поле — с важным отличием. Они разработали фоновое поле таким образом, чтобы оно по-разному связывалось с двумя типами фермионов Вейля: те, у которых собственный угловой момент (спин) выровнен параллельно их линейному импульсу, и те, которые имеют антипараллельное выравнивание. Другими словами, поле по-разному связывается с частицами в зависимости от их киральности.

Реализация фонового поля, которое отличает киральность, является важным шагом, поскольку он объясняет суть того, почему фермионы Вейля так интересны в физике элементарных частиц. Когда фермионами различной хиральности можно манипулировать независимо друг от друга, тогда классические законы сохранения могут быть нарушены на квантовом уровне. Например, заряд для фермионов заданной киральности не сохраняется. Такое поведение вызывает так называемую киральную аномалию, которая, в свою очередь, может быть ключом к пониманию основных особенностей Стандартной модели физики элементарных частиц.

Пери и коллеги в настоящее время продемонстрировали существование различных хиральных каналов, предоставляя им независимый доступ к фермионам Вейля с противоположной хиральностью в объемной системе. (Соответствующие результаты ранее сообщались для электронных систем в двух измерениях.) Осознание такого поведения, глубоко укоренившегося в теории физики высоких энергий с низкоэнергетическими звуковыми волнами, взаимодействующими с системой конденсированного вещества, обещает универсальную платформу для дальнейшего изучения явлений. связанных с фермионами Вейля, которые были теоретически предсказаны, и предпринять дальнейшие шаги к использованию такого поведения в технологических областях, от акустики до электроники, не упуская из виду основную красоту, которой руководствовался Герман Вейль.

По материалам phys.org