Российские учёные определили материал, который позволит моделировать свойства тёмной материи

Совместная работа с нобелевским лауреатом по физике Фрэнком Вильчеком была опубликована в журнале Physical Review B. Вся эта бумага связана с тёмной материей, одним из самых больших загадок современной физики. Никто точно не знает, что она из себя представляет. Существует идея, что она может быть сделана из аксионов — это такие гипотетические частицы, предсказанные физиками Вильчеком и Вайнбергом в 1970-х. Они взаимодействуют очень слабо с обычным веществом и могут превращаться в фотоны в сильных магнитных полях.

Некоторые учёные исследуют аксионы в космосе или проводят огромные эксперименты на Земле, чтобы найти их следы. Другие, наоборот, изучают их в метаматериалах, это вещества, созданные человеком и имеющие уникальные механические и электромагнитные свойства. Особенности этих материалов зависят не только от их химического состава, но и от их структуры.

Находятся метаматериалы в физике твёрдого тела, но в них аксионные эффекты слабые. Учёные из фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» Университета ИТМО вместе с Фрэнком Вильчеком предложили создать метаматериал в фотонике, где эффекты аксионов можно усилить в разы.

Их новый материал собирается из слоёв с известными магнитными и оптическими свойствами. В метаматериале квазичастицы ведут себя так же, как и гипотетические аксионы. Учёные провели несколько численных экспериментов, чтобы это подтвердить.

Одно из главных преимуществ этого нового метаматериала — возможность контролировать аксионный отклик. Это означает, что его можно использовать для разных целей. В природных материалах такой возможности нет, поэтому они не могут усилить слабый аксионный отклик. Учёные утверждают, что они разработали новый метод для измерения аксионного отклика метаматериала, который ранее не удавалось провести в фотонике.

Исследователи Университета ИТМО предоставили научному сообществу новые инструменты и идеи для изучения аксионов. Может быть, эти знания пригодятся и при поиске тёмной материи. В настоящее время учёные планируют исследовать другие экзотические явления в метаматериалах, что может привести к новым открытиям в фундаментальной физике.