Тёмную материю пытаются искать в космосе, но она является максимально недоступной для обнаружения современными приборами, поэтому придумываются разнообразные изощрённые косвенные способы, как, например, поиск её тени. Никто и не предполагал, что есть смысл поискать её на Земле на уровне квантовых флуктуаций, да и вряд ли мог предположить до недавнего времени, ведь для этого необходимо соблюдение крайне специфических условий, что возможно в материалах, до недавнего времени существовавших лишь в теории.
Многие фундаментальные частицы были предсказаны задолго до их открытия. Та же участь постигла и фермионы Вейля, предсказанные Германом Вейлем (Hermann Weyl) ещё в 1929 году. Предсказано было, что и существовать они могут в специфическом материале, из-за своей кристаллической структуры отличающимся высокой степенью проводимости даже вблизи абсолютного нуля температуры, получившем название полуметалл Вейля. В периодической системе есть группа элементов, называемых полуметаллами, но полуметалл Вейля — это именно химическое соединение нескольких элементов, образующих вещество с кристаллической структурой, обладающее низкой энергией возбуждения, так как фермионы Вейля, частицы в этом материале, несут электрический заряд даже при комнатной температуре.
В 2011 году группой учёных из Китая и США был синтезирован арсенид ниобия — материал, обладающий свойствами полуметалла Вейля, из-за чего он стал первым таким материалом в истории. А в августе 2015 г., спустя 89 лет после предсказания существования, в журнале Science была опубликована статья о том, что международной группе специалистов из США, Китая, Сингапура и Тайваня удалось впервые наблюдать фермионы Вейля в синтетическом кристалле арсенида тантала (TaAs). Эти субатомные частицы вели себя как безмассовые электроны, будучи намного более подвижными, при этом, практически не взаимодействуя с окружающей материей и друг с другом. Из-за этих свойств фермионы Вейля стали основными кандидатами на применение для создания сверхбыстрой электроники и квантовых компьютеров в будущем.
А в 1977 году было предсказано существование другой элементарной частицы, считающейся сегодня одним из основных кандидатов на роль частиц, составляющих тёмную материю — аксионов. В виду того, что частицы эти обладают всеми свойствами тёмной материи, их фиксация настолько же затруднена. Тут-то на выручку и пришёл ещё один полуметалл Вейля — селенид тантала (ТаSe4 ). Аксионы были зафиксированы не как частицы, а как волны со свойствами частиц (аксионная волна), что согласуется с законами квантовой механики. Кванты колебательного движения атомов кристалла, называются фононами. Реакции зарегистрированных учёными фононов на электрические и магнитные поля в кристалле селенида тантала полностью коррелируются с предсказанными реакциями аксионов на эти поля. Одним из основных свойств, свидетельствующих о том, что зафиксированы были именно аксионы, говорит нарушение хиральности, присущее именно им. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Это открытие позволяет говорить о том, что полуметаллы Вейля можно использовать для создания детекторов тёмной материи, что даёт надежду на её обнаружение в ближайшие годы. Это, в свою очередь, говорит о том, что мы можем стать свидетелями появления «Новой физики», а это по-настоящему будоражит сознание в понимании возможных предстоящих открытий. Я обязательно буду и дальше рассказывать о самых интересных проектах человечества, так что подписывайтесь на канал, а также канал в Telegram и уютный чатик для дискуссий на научные темы. Делитесь ссылкой на канал с друзьями. Спасибо, что читаете.