Ученые ИТМО описали материал, моделирующий свойства частиц темной материи
Метаматериал, который может стать платформой для тестирования свойств аксионов, предполагаемых частиц темной материи, сконструировала и описала группа ученых из санкт-петербургского университета ИТМО, 6 сентября сообщает пресс-служба вуза.
Результаты работы, выполненной в соавторстве с нобелевским лауреатом 2004 года по физике Фрэнком Вильчеком, представлены в статье «Аксионная реакция, возникающая в многослойных метаматериалах», опубликованной в журнале Physical Review B.
Темная материя стала одной из главных загадок, над решением которой работают современной физики. Пока неизвестно даже ее строение. При этом одна из гипотез предполагает, что темная материя состоит из гипотетических частиц — аксионов, существование которых предсказали в 1970-е годы Вильчек и Вайнберг. Эти слабо взаимодействующие с обычным веществом частицы в сильном магнитном поле могут превращаться в фотоны.
Физики пытаются обнаружить следы аксионов в космосе или получить их в результате масштабных экспериментов на Земле, однако другие их коллеги в это время изучают их свойства на моделях, в том числе в метаматериалах.
Метаматериалами называются композиционные материалы, свойства которых в большей мере зависят от их структуры, а не химического состава. Такие вещества имеют уникальные механические или электромагнитные характеристики.
При этом в некоторых метаматериалах образующиеся коллективные возбуждения света и вещества — квазичастицы — описываются теми же уравнениями, что и аксионы.
Это подвигло ученых из фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» ИТМО создать платформу для тестирования эффектов аксионной физики на основе метаматериалов.
Аналогичные платформы уже создавались в физике твердого тела, но они имели слабый аксионный отклик. Ученые из ИТМО совместно с Фрэнком Вильчеком решили создать метаматериал в фотонике, поскольку в этом случае аксионные эффекты проявляются в несколько раз сильнее.
Такой материал собирается из слоев с известными магнитными и оптическими характеристиками. Квазичастицы в нем проявляют те же свойства, что и гипотетические аксионы. Для доказательства этого утверждения исследователи выполнили несколько численных экспериментов.
Сконструированный ими новый метаматериал обладает важным преимуществом перед природными материалами, которые изучает физика твердого тела, — возможностью управлять эффективным аксионным откликом, обусловленной сборкой вещества по частям.
Первый автор статьи, магистрант ИТМО Леон Шапошников пояснил: «Мы придумали, как можно корректно посчитать аксионный отклик метаматериала. Ранее в фотонике это не удавалось сделать никому».
Таким образом, исследователи ИТМО сумели предложить научному сообществу новые инструменты и идеи для изучения аксионов, которые могут пригодиться также при поисках частиц темной материи. Такими поисками они параллельно занимаются в международном консорциуме по поиску космических аксионов.
В планах научного коллектива продолжить исследование метаматериалов с целью поиска в них других экзотических откликов.
«Искусственные среды открывают богатые возможности протестировать известные эффекты фундаментальной физики — например, дираковские фермионы, античастицы, а теперь и аксионы — с помощью довольно простых систем. Возможно, наше понимание таких систем может подтолкнуть и к новым фундаментальным результатам», — надеется соавтор статьи и руководитель лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» Максим Горлач.
