Большой взрыв в лабораторном кристалле: физики наблюдают удивительную гравитационную аномалию

0


Экзотический эффект, который имеет место в сильнейших гравитационных полях – вблизи чёрной дыры или даже в условиях, которые были сразу после Большого взрыва – был зафиксирован в лабораторных условиях. Об этом сообщила международная команда физиков, исследующих свойства материалов, в том числе, в контексте теории струн.

Команда, возглавляемая физиком Йоханнесом Готом (Johannes Gooth) из исследовательского центра IBM Research в Цюрихе (Швейцария), заявила, что наблюдала долговременный эффект, называемый аксиальной гравитационной аномалией. Этот термин обозначает наблюдаемые необычные показатели гравитационного поля или гравитационные характеристики объекта, а понятие "аксиальный" указывает на то, что они имеют направление вдоль какой-либо оси. Ранее считалось, что лишь такой тип материи, как кварк-глюонная плазма, может демонстрировать подобный феномен.

Однако оказалось, что тот же эффект может наблюдаться в полуметаллах Вейля (Weyl semimetals). Вейлевские фермионы были впервые описаны в 1920-х годах прошлого века математиком Германом Вейлем. От других видов частиц они отличаются тем, что у них нет массы, а кроме того, им свойственна хиральность, то есть отсутствие определённого вида симметрии.

Авторы работы поясняют, что огромные гравитационные поля, изгибающие пространственно-временной фон, должны разрушать симметрию отдельных видов частиц. В лаборатории невозможно создать условия, необходимые для доказательства существования этого необычного нарушения, но исследователи использовали своеобразную параллель между гравитацией и температурой, чтобы создать лабораторный аналог аномалии в кристаллах фосфида ниобия – он как раз и является полуметаллом Вейля.

Электроны в этом материале подразделяются на две группы, в зависимости от направления вращения (как правило, существует равное количество электронов каждого типа). Однако, когда физики имитировали гравитационное поле, организовав в кристалле температурный градиент, они обнаружили, что эта симметрия нарушается, превращая электроны одного типа в другой и наоборот. Подобная аномалия наблюдается при нормальных обстоятельствах на Земле впервые.

"Эту аномалию настолько трудно измерить, что даже косвенные доказательства являются серьёзным прорывом", — отмечает член исследовательской группы Адольфо Грушин (Adolfo Grushin) из Калифорнийского университета в Беркли.


Отметим, что вейлевские фермионы уже были замечены ранее внутри некоторых кристаллов: в ходе экспериментов квантовомеханические эффекты приводили к тому, что электроны материала точно так же нарушали симметрию. В 2015 году исследователи показали, что сильные магнитные и электрические поля могут нарушать симметрию внутри квантового материала, известного как полуметалл Дирака.

Теперь же команда Гота подтвердила, что гравитация также может разрушить симметрию. По словам авторов работы, влияние кривизны пространства-времени на частицы Вейля математически эквивалентно эффекту от наложения температурного градиента.



Причина заключается в известном уравнении Эйнштейна E = mc2, объясняет Гот.

"В релятивистской квантовой теории поля потоки энергии и массы становятся одинаковыми, – говорит он. – Массовый поток управляется градиентами гравитационного поля и потоком энергии по температурным градиентам. Градиент температуры для релятивистских фермионов Вейля, таким образом, имитирует градиент гравитационного поля".


Чтобы получить доказательства нарушения симметрии, исследователи измерили проводимость кристаллического фосфида ниобия в микроэлектронной цепи. Когда они позднее получили температурный градиент и применили магнитное поле, они обнаружили электрический ток, создаваемый дисбалансом в двух типах фермионов Вейля: число левых квазичастиц, движущихся в одном направлении через образец, было не таким, как число правых, движущихся в противоположном направлении.

"Поведение потока (частиц – прим.ред.) при изменении магнитного поля – именно то, что предсказывает теория осевой гравитационной аномалии", — говорит Грушин.


"Это невероятно волнующее открытие, – добавляет соавтор исследования Карл Ландштайнер (Karl Landsteiner). – Мы можем заключить, что то же нарушение симметрии можно наблюдать в любой физической системе".


Впрочем, как это часто бывает, некоторые физики восприняли научную работу скептически. К примеру, Борис Спивак (Boris Spivak) из Вашингтонского университета в Сиэтле убеждён, что осевая гравитационная аномалия просто не может существовать в полуметаллах Вейля. "Существует много других механизмов, которые могут объяснить эти данные", — уверен учёный.

На защиту команды встал Субир Сахдев (Subir Sachdev), специалист по квантовым эффектам в твёрдых материалах из Гарвардского университета. Он полагает, что доказательства авторов убедительны, и существование аномалии не вызывает сомнений. "Приятно видеть, что она появляется в реальных материалах", — добавляет Сахдев. По его мнению, работа подтверждает, что гравитация взаимодействует с квантовыми полями, как это показано теорией относительности Эйнштейна.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature, уверены: понимание того, как аксиальная гравитационная аномалия проявляется в различных материалах, может привести к созданию нового раздела физики. Осталось изучить другие материалы.

В компании IBM также надеются, что в дальнейшем результаты этих экспериментов будут использованы в электронике: устройства, которые будут генерировать аномалию, могут повысить эффективность материалов, создающих электрическую энергию под воздействием температурных градиентов.

Напомним, что ранее специалисты ЦЕРН также воссоздали первые секунды жизни Вселенной.


Похожие новости
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
Курсы валют от ЦБ РФ
EUR 73,24
USD 62,44
Лента новостей