Американские физики впервые подтвердили существование безмассовых виртуальных частиц, предсказанных немецким учёным Германом Вейлем, путём их экспериментального наблюдения. Открытие может проложить дорогу к созданию новых электронных устройств, нового типа лазеров повышенной мощности и других оптических устройств. Работы с частицами независимо провели и опубликовали Принстонский университет и Массачусетский технологический институт.

Герман Вейль в начале 20-го века учился в Гёттингенском университете у самого Давида Гильберта, был знаком с Эйнштейном, стал одним из первых последователей и популяризаторов его общей теории относительности, писал книги и статьи по математике и теоретической физике. В числе прочих своих идей в 1929 году он описал гипотетические виртуальные частицы, которые позже назвали «точки Вейля» или «фермионы Вейля».

Это локальные возмущения кристаллической решётки, которые удобно рассматривать в виде частиц (нечто, напоминающее электронные дырки). Они появились в качестве решений уравнения Дирака (описывающего движение точечной частицы с полуцелым спином). При этом ими очень удобно оперировать в теории, поскольку у них нет массы и их спиральность может быть как левой, так и правой (вектор спина может быть направлен как по, так и против направления её движения). Такие уникальные свойства позволяют использовать эти частицы в микроэлектронике будущего вместо электронов, на которых построена вся современная микроэлектроника.

Долгое время физики считали, что описанная Вейлем частица – это нейтрино, поскольку его причисляли к безмассовым частицам. Но когда в 1998 году было доказано, что у нейтрино есть масса, загадка вновь стала будоражить умы учёных.

«Физика фермионов Вейля настолько странная, что из неё вытекает невообразимое количество различных потенциальных свойств,– пояснил М. Захид Хасан, профессор физики из Принстона, руководивший исследованием.

Необычность этой квазичастицы дополняется тем, что в кристалле особого вида она будет вести себя, как магнитный монополь. Магнитных монополей также в реальности никто не наблюдал, но в качестве математических абстракций их удобно использовать в расчётах на т.н. обратной решётке (ещё одной математической абстракции, которой физики пользуются для описания дифракции рентгеновских лучей, нейтронов и электронов на кристалле). И в таких расчётах свойства фермионов Вейля крайне похожи на свойства монополей.

Данные, полученные детектором, подтверждающие наличие частиц

Сами же фермионы Вейля ведут себя, как комбинация монополь-антимонополь. Поэтому, даже частицы, имеющие противоположные заряды, могут передвигаться независимо друг от друга. Кроме этого, они способны двигаться без обратного рассеивания (отражения в направлении, обратном направлению движения) при появлении на их пути препятствий. Обычные электроны сталкиваются с препятствиями и их рассеивание повышает температуру среды.

У них будто бы есть свой GPS-навигатор, который позволяет им изменять курс движения и избегать рассеяния,– говорит профессор Хасан. – Они упорно продолжают двигаться в одном и том же направлении, и пролетают насквозь, не останавливаясь. Они ведут себя, как пучок очень быстрых электронов, и потому их можно использовать в квантовых компьютерах нового типа".

Кристалл, в котором весело проводят время фермионы Вейля и монополи, является гироидом — это «трижды периодическая минимальная поверхность» – к сожалению, ещё один математический термин, который достаточно сложно описать простыми словами. Тем не менее, в реальности такие кристаллы существуют, и в них, среди прочего, можно наладить почти идеальную проводимость электрического тока – как в двумерном графене.

Вейль, описывая фермионы, описал и структуру полуметаллического кристалла, которую и искали в экспериментах учёные. Кристаллом, в котором впервые удалось пронаблюдать фермионы Вейля, оказался асимметричный кристалл арсенида тантала. В эксперименте его поместили в двухуровневый сканирующий туннельный микроскоп и охладили почти до абсолютного нуля, и проверили таким образом, что он имеет нужную структуру (поскольку кристаллических форм этого соединения существует изрядное количество). После этого его обстреляли пучками высокоэнергетических протонов, в процессе чего было подтверждено наблюдение в кристалле фермионов Вейля.