После 85-летних поисков была найдена безмассовая частица, обещающая электронику следующего поколения.

Исследователи сообщают в журнале Science 16 июля о первом наблюдении фермионов Вейля, которые, если их применить к электронике следующего поколения, могут обеспечить почти свободный и эффективный поток электричества в электронике и, следовательно, большую мощность, особенно для компьютеров, предполагают исследователи.Фермионы Вейля, предложенные математиком и физиком Германом Вейлем в 1929 году, давно искали учёные, потому что они рассматривались как возможные строительные блоки других субатомных частиц и являются даже более основными, чем вездесущий электрон с отрицательным зарядом (когда электроны движутся внутри кристалла). Их основная природа означает, что фермионы Вейля могут обеспечить гораздо более стабильный и эффективный перенос частиц, чем электроны, которые являются основной частицей, лежащей в основе современной электроники.

В отличие от электронов фермионы Вейля безмассовые и обладают высокой подвижностью; вращение частицы направлено как в том же направлении, что и ее движение (которое известно как правостороннее), так и в противоположном направлении, в котором она движется, или влево.«Физика фермиона Вейля настолько странная, что из этой частицы может возникнуть много вещей, которые мы просто не можем представить сейчас», — сказал автор-корреспондент М. Захид Хасан, профессор физики из Принстона, который руководил исследованием. команда.

По словам Хасана, открытие исследователей отличается от других открытий частиц тем, что фермион Вейля может быть воспроизведен и потенциально применен. По его словам, как правило, такие частицы, как знаменитый бозон Хиггса, обнаруживаются сразу после столкновения частиц. Однако фермион Вейля был обнаружен внутри синтетического металлического кристалла, называемого арсенидом тантала, который исследователи из Принстона разработали в сотрудничестве с исследователями из Центра совместных инноваций квантовой материи в Пекине и Национального университета Тайваня.

Фермион Вейля обладает двумя характеристиками, которые могут сделать его открытие благом для будущей электроники, включая развитие высоко ценимой области эффективных квантовых вычислений, объяснил Хасан.По словам Хасана, для физика фермионы Вейля наиболее известны тем, что ведут себя как смесь монопольных и антимонопольных частиц, находящихся внутри кристалла. Это означает, что частицы Вейля, которые имеют противоположные магнитоподобные заряды, тем не менее могут двигаться независимо друг от друга с высокой степенью подвижности.

Исследователи также обнаружили, что фермионы Вейля можно использовать для создания безмассовых электронов, которые движутся очень быстро без обратного рассеяния, при этом электроны теряются при столкновении с препятствием. В электронике обратное рассеяние снижает эффективность и генерирует тепло. По словам Хасана, электроны Вейля просто перемещаются через блокпосты и обходят их.«Как будто у них есть собственный GPS, и они управляют собой, не разбегаясь», — сказал Хасан. «Они будут двигаться и двигаться только в одном направлении, поскольку они либо правши, либо левши, и никогда не заканчиваются, потому что они просто туннелируют сквозь них.

Это очень быстрые электроны, которые ведут себя как однонаправленные световые лучи и могут использоваться для новых типы квантовых вычислений ".Перед публикацией статьи в Science Хасан и его соавторы опубликовали в июне в журнале Nature Communications отчет, в котором высказывались предположения о том, что фермионы Вейля могут существовать в кристалле арсенида тантала. Руководствуясь этим документом, исследователи использовали Принстонский институт науки и технологии материалов (PRISM) и Лабораторию топологической квантовой материи и спектроскопии в Джадвин-холле в Принстонском университете для исследования и моделирования десятков кристаллических структур, прежде чем приступить к обнаружению асимметричного кристалла арсенида тантала. который имеет разную форму верха и низа.

Затем кристаллы загружали в двухъярусное устройство, известное как сканирующий туннельный спектромикроскоп, которое охлаждали почти до абсолютного нуля и подвешивали к потолку, чтобы предотвратить даже колебания размером с атом. Спектромикроскоп определил, соответствует ли кристалл теоретическим характеристикам для размещения фермиона Вейля. «Он сказал нам, был ли кристалл домом частицы», — сказал Хасан.

Команда из Принстона доставила кристаллы, прошедшие тест на спектромикроскопе, в Национальную лабораторию Лоуренса Беркли в Калифорнии, где они были протестированы с помощью пучков фотонов на основе ускорителей высоких энергий. После прохождения через кристалл форма, размер и направление лучей указывали на присутствие долго неуловимого фермиона Вейля.

Первый автор Су-Ян Сюй, научный сотрудник постдокторского отдела Физического факультета Принстона, сказал, что эта работа уникальна тем, что объединяет теорию и экспериментализм.«Природа этого исследования и то, как оно возникло, действительно отличается и более захватывающе, чем большинство других работ, которые мы делали раньше», — сказал Сюй. «Обычно теоретики говорят нам, что какое-то соединение может проявлять некоторые новые или интересные свойства, затем мы, как экспериментаторы, выращиваем этот образец и проводим эксперименты, чтобы проверить предсказание.

В этом случае мы сами пришли к теоретическому предсказанию, а затем провели эксперименты. Это делает окончательный успех еще более захватывающим и приятным, чем прежде ».

По словам Сюй, в поисках неуловимой частицы исследователи должны были опираться на ряд дисциплин, а также просто верить в свои поиски и научные инстинкты.«Для решения этой проблемы были задействованы теория физики, химия, материаловедение и, самое главное, интуиция», — сказал он. «Эта работа действительно показывает, почему исследования настолько увлекательны, потому что они включают в себя как рациональное, логическое мышление, так и искры и вдохновение».

Вейль, который работал в Институте перспективных исследований, предложил свой фермион в качестве альтернативы теории относительности, предложенной его коллегой Альбертом Эйнштейном. Хотя это приложение так и не сработало, характеристики его теоретической частицы интересовали физиков почти столетие, сказал Хасан. На самом деле наблюдение за частицей было трудным процессом — в одном амбициозном эксперименте предлагалось столкнуться с нейтрино высоких энергий, чтобы проверить, образовался ли фермион Вейля впоследствии, сказал он.По словам Хасана, охота за фермионом Вейля началась в самые ранние дни квантовой теории, когда физики впервые осознали, что их уравнения подразумевают существование аналогов антивещества для общеизвестных частиц, таких как электроны.

«Люди полагали, что, хотя теория Вейля неприменима к теории относительности или нейтрино, это самая основная форма фермиона и обладает всеми другими причудливыми и красивыми свойствами, которые могут быть полезны», — сказал он.«Спустя более 80 лет мы обнаружили, что этот фермион уже был там, ожидая. Это самый основной строительный блок всех электронов», — сказал он. «Приятно, что мы наконец смогли сделать это, следуя теоретическому рецепту Вейля 1929 года».Ашвин Вишванат, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, который не принимал участия в исследовании, прокомментировал: «Эксперименты профессора Хасана сообщают о наблюдении как необычных свойств в объеме кристалла, так и экзотических поверхностных состояний, которые были теоретически предсказаны.

Пока еще рано говорить о том, какие практические последствия может иметь это открытие, стоит отметить, что материалы Вейля являются прямыми трехмерными электронными аналогами графена, который серьезно изучается на предмет потенциальных приложений ».Другими соавторами были Ченглун Чжан, Чжуцзюнь Юань и Шуан Цзя из Пекинского университета; Раман Санкар и Фангченг Чоу из Национального университета Тайваня; Гуоцин Чанг, Чи-Ченг Ли, Син-Мин Хуанг, Баокай Ван и Синь Линь из Национального университета Сингапура; Джи Ма из Окриджской национальной лаборатории; и Арун Бансил из Северо-Восточного университета.

Баокай Ван также связан с Северо-Восточным университетом, а Шуан Цзя — с Центром совместных инноваций квантовой материи в Пекине.Статья «Открытие фермионов Вейля и топологических дуг Ферми» была опубликована на сайте журнала Science 16 июля.

Работа была поддержана Инициативой Фонда Гордона и Бетти Мур «Новые явления в квантовых системах» (EPiQS) (грант GBMF4547); Сингапурский национальный исследовательский фонд (грант № NRF-NRFF2013-03); Национальная программа фундаментальных исследований Китая (гранты № 2013CB921901 и 2014CB239302); Министерство энергетики США (грант № DE-FG-02-05ER462000); и Министерство науки и технологий Тайваня (проект № 102-2119-M-002-004).


9 комментариев к “После 85-летних поисков была найдена безмассовая частица, обещающая электронику следующего поколения.”

  1. Оболенская Наталья

    Хотя сам проект , из-за ориентированности на конвенцию Монтрё, не слишком удачный, чего уж там.

  2. Кошкова Анастасия

    В Днепропетровске , на Днепре, есть Амурский мост….. коньяку, что ли , епнуть?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.