Открытие безмассовой частицы может серьезно ускорить электронику
Экзотическая частица, предположенная более 85 лет назад, наконец открыта. Названная «фермионом Вейля», она является странной, но стабильной частицей, не имеющей массы, ведет себя как материя и антиматерия в кристалле и, как утверждают, может создавать полностью безмассовые электроны. Ученые считают, что новая частица может привести к появлению сверхбыстрой электроники и продвинуть нас еще глубже в мир квантовых вычислений.
Есть два типа частиц, которые составляют Вселенную и все в ней: фермионы и бозоны. Если просто, фермионы — это частицы, из которых состоит материя (электроны, например), а бозоны — частицы, которые переносят силу (вроде фотонов). Обычно фермионы типа электронов могут сталкиваться друг с другом, теряя энергию, и никакие два фермиона не могут пребывать в одном состоянии в одной позиции в одно время. Но у фермионов Вейля, поскольку они безмассовые, таких ограничений нет.
Впервые фермионы Вейля начали обсуждать физики в 1929 году, с подачи физика и математика Германа Вейля, который предположил, что могут существовать безмассовые фермионы, способные переносить электрический заряд. Без массы, считал он, электроны, созданные из фермионов Вейля, смогут переносить электрический заряд в цепи гораздо быстрее, чем обычные электроны. По факту, в соответствии с последними исследованиями, электрический ток, переносимый электронами Вейля, в испытательной среде может двигаться в два раза быстрее, чем переносимый электронами в графене, и в 1000 раз быстрее, чем в обычных полупроводниках.
Международная группа ученых под руководством Принстонского университета науки и технологии материалов (PRISM) и Лаборатории топологической квантовой материи и спектроскопии изучила множество кристаллических образований, прежде чем выбрала асимметричный кристалл арсенида тантала (полуметалла, который обладает свойствами как проводника, так и изолятора) в качестве ведущего кандидата в охоте за теоретической частицей.
Кристаллы арсенида тантала, охлажденные почти до абсолютного нуля, поместили в сканирующий туннельный спектромикроскоп, чтобы посмотреть, будут ли они соответствовать гипотетическим характеристикам для размещения фермионов Вейля. Затем, когда кристаллы прошли испытание, команда передала их в Национальную лабораторию Лоуренса в Беркли, Калифорния, где через них пропустили пучок высокоэнергетических фотонов. Этот тест, наконец, подтвердил существование искомых фермионов Вейля.
«Характер этого исследования, как выяснилось, серьезно отличается в лучшую сторону от большинства других работ, которые мы делали ранее, — говорит Су-Ян Сюй, научный сотрудник Принстона. — Как правило, теоретики говорят нам, что некоторые соединения могут демонстрировать новые или интересные свойства, а мы, как экспериментаторы, проверяем это на практике. В этом случае мы сами себе придумали теоретический прогноз, а затем провели эксперименты. Это сделало финальный успех еще более захватывающим и удовлетворяющим, чем раньше».
Как квазичастица — частица, которая пребывает внутри твердого вещества (в данном случае), но действует так, будто она слабо взаимодействующая частица в свободном пространства — фермион Вейля безмассовый и обладает высокой степенью мобильности. Поскольку спин частицы направлен в обоих направлениях, когда она движется «по правую руку» и «по левую руку», как говорят физики, она может преодолевать препятствия, которые замедляют обычный электрон.
«У них словно есть свой GPS, который управляет ими без рассеяния, — говорит физик Принстонского университета Захид Хасан. — Они будут двигаться только и только в одном направлении, поскольку являются правшами и левшами, и никогда не придут к концу, потому что они просто туннелируют. Это очень быстрые электроны, которые ведут себя подобно однонаправленным лучам света, они могут быть использованы для новых типов квантовых вычислений».
Изначально Вейл считал свой фермион частью альтернативной модели теории относительности, предложенной его коллегой Альбертом Эйнштейном. И хотя гипотеза Вейля проиграла гипотезе Эйнштейна, идея его теоретической частицы продолжала мучить физиков много лет после этого. Тем не менее, будучи сугубо «теоретической» частицей, даже если обнаруживались намеки на фермион Вейля, их списывали на ошибочные проявления нейтрино. Оглядываясь назад, можно предположить, что то были действительно фермионы Вейля, так как в 1998 году было обнаружено, что нейтрино обладают небольшой массой.
«Люди решили, что хотя теория Вейля не применяется к теории относительности или нейтрино, она относится к основной форме фермионов и обладает странностями и хорошими свойствами, которые могут быть полезны, — говорит Хасан. — Спустя более чем 80 лет мы обнаружили, что этот фермион ждал нас. Это самый базовый строительный блок всех электронов. И очень круто, что мы наконец вывели его из теоретического рецепта Вейля 1929 года».
