Физики Эндрю Кристиансон (Andrew Christianson) и Стюарт Калдер (Stuart Calder) из Национальной лаборатории Ок-Ридж, США обнаружили, что кристаллическая решетка оксида осмия удовлетворяет условиям, необходимым для существования загадочных квазичастиц. До этого физикам потребовалось 85 лет, чтобы экспериментально доказать их существование.

ORNL/Genevieve Martin
ORNL/Jill Hemman
Нейтроны (голубые сферы) проходят через магнитное поле в оксиде осмия (синие стрелки) и создают рентгеновское излучение (фиолетовый), благодаря которому ученые узнают о сильном спин-орбитальном взаимодействии (красные стрелки)

Квазичастицы, не имеющие массы, но ведущие себя как частицы, предсказал в 1929 году немецкий физик Герман Вейль. Экспериментально доказать их существование удалось только в прошлом году, когда группа исследователей из Принстонского университета установила, что фермионы Вейля существуют в кристаллической решетке арсенида тантала.

Фермион Вейля можно представить как некое возмущение кристаллической решетки, которое перемещается в кристалле подобно частице. Существовать они могут не во всех материалах, а только в кристаллических решетках с весьма оригинальными свойствами. До 2015 года было неизвестно, существуют ли такие материалы вообще.

Кристиансон и Калдер обнаружили новый материал, в котором капризные фермионы теоретически возможно обнаружить: это оксид самого плотного металла, осмия, с формулой Cd2Os2O7. Кристаллы Cd2Os2O7 удовлетворяют двум критериям Вейля: во‑первых, в них наблюдается особое магнитное состояние вещества, а во-вторых, особенности электронной оболочки осмия обуславливают сильное спин-орбитальное взаимодействие.

Чтобы доказать, что магнитный момент электронов в оксиде осмия точно соответствует расчетам Вейля, Кристиансон и Калдер пропускали через кристалл пучки нейтронов: на фотографии физики держат инструмент, которым они пользовались для нейтронографии.

От фермионов Вейля ждут многого. В силу своей безмассовой природы они перемещаются очень быстро — быстрее, чем электроны. Ученые считают, что ими можно заменить электроны в электрических цепях. Кроме скорости, от электронов их отличает способность проходить сквозь препятствия, которые непреодолимы для электронов. С этими свойствами квазичастиц связаны надежды на их применение в электронике и вычислительной технике. В том числе и в квантовых компьютерах.

Ученые отмечают, что в их открытии принципиально важен основной элемент кристаллической решетки: до сих пор многие физики рассматривали в качестве потенциальных «домов» для фермионов Вейля только соединения иридия. Исследование Кристиансона и Стюарта доказало, что осмий тоже перспективен для подобных исследований.