Группа ученых из Университета ИТМО описала метаматериал, который может стать платформой для тестирования свойств аксионов — кандидатов на роль частицы темной материи. Работа в соавторстве с нобелевским лауреатом по физике Фрэнком Вильчеком опубликована в журнале Physical Review B и поддержана Российским научным фондом и программой развития ИТМО Приоритет 2030.

Темная материя — одна из главных загадок современной физики. Даже ее строение пока неизвестно. Одна из гипотез заключается в том, что темная материя состоит из аксионов — гипотетических частиц, предсказанных нобелевскими лауреатами Вильчеком и Вайнбергом в 1970-е годы. Эти частицы слабо взаимодействуют с обычным веществом и могут превращаться в фотоны в сильном магнитном поле.

Пока одни ученые ищут следы аксионов в космосе или в масштабных экспериментах на Земле, другие изучают их на моделях — например, в метаматериалах. Эти искусственно созданные вещества имеют уникальные механические или электромагнитные свойства. Их характеристики определяются не только химическим составом, но еще и структурой.

В некоторых метаматериалах коллективные возбуждения света и вещества — квазичастицы — описываются теми же уравнениями, что и аксионы. Поэтому ученые решили создать на основе искусственных материалов платформу и тестировать на ней эффекты аксионной физики. Подобные системы уже есть в физике твердого тела, однако аксионный отклик в них слабый. Ученые из фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» Университета ИТМО совместно с Фрэнком Вильчеком предложили создать метаматериал в фотонике — в нем аксионные эффекты проявляются в разы сильнее.

Схема метаматериала — он состоит из намагниченных слоев / © L. Shaposhnikov et al. / Physical Review B, 2023

Новое вещество собирается как конструктор из слоев с известными магнитными и оптическими характеристиками. Квазичастицы в метаматериале проявляют те же свойства, что и гипотетические аксионы. Чтобы доказать это, ученые провели несколько численных экспериментов.

Важное преимущество нового метаматериала — возможность управлять эффективным аксионным откликом. Это происходит благодаря тому, что вещество собирают по частям. В природных материалах, которые изучает физика твердого тела, такой возможности пока нет — это не дает усилить в них слабый аксионный отклик.

«Мы придумали, как можно корректно посчитать аксионный отклик метаматериала. Ранее в фотонике это не удавалось сделать никому», — говорит Леон Шапошников, магистрант Университета ИТМО и первый автор статьи.

Результаты одного из численных экспериментов с метаматериалом. Слева магнитный диполь помещен в оболочку из аксионов, справа — из метаматериала. Как показывают расчеты, электромагнитное поле, которое возникает в результате, одинаково в обоих случаях. Это означает, что метаматериал проявляет аксионные свойства / © L. Shaposhnikov et al. / Physical Review B, 2023

Исследователи ИТМО предложили научному сообществу новые инструменты и идеи для изучения аксионов. Возможно, они пригодятся и при поисках частиц темной материи. А пока коллектив ученых планирует проанализировать другие экзотические отклики в метаматериалах.

«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» — считает Максим Горлач, соавтор статьи и руководитель фронтирной лаборатории. У оптимизма ученых есть основания: параллельно они принимают участие в международном консорциуме по поиску космических аксионов.