«Наши исследования подтверждают знаменитое предсказание физики, подтверждение которого казалось недостижимым», – сказал Н. Фуан Онг, профессор физики Юджина Хиггинса из Принстона, который руководил исследованием вместе с Робертом Кава, профессором химии из Принстона Расселом Веллманом Муром. "Увеличение проводимости в кристалле и его резкое проявление в правильных условиях не оставляют сомнений в том, что мы наблюдали долгожданную киральную аномалию."
Исследование было опубликовано онлайн в журнале Science.
Хиральная аномалия, описывающая, как элементарные частицы могут менять свою ориентацию в присутствии электрического и магнитного полей, связана с наблюдением того, что правосторонность и левосторонность (или "хиральность" от греческого слова "рука") широко распространены в природа. Например, большинство химических структур и многие элементарные частицы имеют правую и левую формы, которые являются зеркальным отображением друг друга.
Ранние исследования, приведшие к открытию аномалии, восходят к 1940-м годам, когда Герман Вейль из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, и другие обнаружили, что все элементарные частицы, имеющие нулевую массу (включая нейтрино, несмотря на то, что они имеют чрезвычайно малая масса) строго разделяются на левую и правую популяции, которые никогда не смешиваются.
Несколько десятилетий спустя теоретики обнаружили, что присутствие электрического и магнитного полей разрушает сегрегацию этих частиц, заставляя две популяции трансформироваться друг в друга с наблюдаемыми последствиями.
Это индуцированное полем перемешивание, которое стало известно как киральная аномалия, впервые было обнаружено в 1969 году в работе Стивена Адлера из Института перспективных исследований, Джона Белла из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) и Романа Джеки из Массачусетского института. наук, которые успешно объяснили, почему определенные элементарные частицы, называемые нейтральными пионами, распадаются намного быстрее – в 300 миллионов раз – чем их заряженные собратья.
На протяжении десятилетий аномалия играла важную, хотя и запутывающую роль в великом стремлении объединить четыре фундаментальные силы природы.
Предсказание, что киральная аномалия также может наблюдаться в кристаллах, было сделано в 1983 году физиками Хольгером Беком Нильсеном из Копенгагенского университета и Масао Ниномия из Института квантовой физики Окаяма. Они предположили, что возможно обнаружить аномалию в лабораторных условиях, что позволит исследователям применять интенсивные магнитные поля для проверки предсказаний в условиях, которые были бы невозможны в коллайдерах частиц высоких энергий.
По словам Онга, недавний прогресс в разработке определенных видов кристаллов, известных как «топологические» материалы, проложил путь к реализации этого предсказания.
В кристалле Na3Bi, который представляет собой топологический материал, известный как полуметалл Дирака, электроны занимают квантовые состояния, имитирующие безмассовые частицы, которые разделяются на левую и правую популяции.
Чтобы увидеть, могут ли они наблюдать аномалию в Na3Bi, Цзюнь Сюн, аспирант по физике, которому консультировал Онг, охладил кристалл Na3Bi, выращенный Сатья Кушваха, научным сотрудником-химиком, который работает с Кавой, до криогенных температур в присутствии сильного магнитного поля, которое может вращаться относительно направления приложенного электрического тока в кристалле. Когда магнитное поле было выровнено параллельно току, две киральные популяции смешались, чтобы произвести новое увеличение проводимости, которое исследователи называют «шлейф осевого тока».«Эксперимент подтвердил наличие киральной аномалии в кристалле.
«Одним из ключевых результатов эксперимента является то, что перемешивание приводит к зарядному току или осевому току, который сопротивляется истощению, вызванному рассеянием на примесях», – сказал Онг. «Понимание того, как минимизировать рассеяние электронов с током на примесях, которое приводит к потере энергии электронными устройствами в виде тепла, – важно для реализации будущих электронных устройств, которые будут более энергоэффективными. Хотя это только начало, эксперименты с долгоживущим осевым током могут помочь нам разработать устройства с малым рассеиванием."