Постоянная тонкой структуры выросла десятикратно в спиновом льду
Физики смоделировали коллективные эффекты в спиновом льду, которые могут быть описаны через прохождение электрического квазизаряда через решетку. Вычислив этот заряд и скомбинировав его с информацией о скорости квазифотонов, они выяснили, что постоянная тонкой структуры и, как следствие, само электромагнитное взаимодействие, увеличивается на порядок. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Постоянная тонкой структуры — это важнейшая физическая константа, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия. Физики ввели ее для объяснения тонкой структуры энергетических уровней, однако вскоре она получила более фундаментальный статус, став одной из констант Стандартной модели. Она безразмерна, а ее значение составляет примерно 1/137 и, в отличие от множества других физических констант, не зависит от используемой системы единиц.
Вместе с тем исследователи регулярно ищут подтверждения того, что даже эта константа могла бы поменяться, но пока таких условий не нашли. Так, например, астрофизики недавно выяснили, что постоянная тонкой структуры за последние 13 миллиардов лет сохраняла свое значение с точностью до пятого знака после запятой. Другой путь — это создание новых типов взаимодействий на основе конденсированных сред, в которых квазичастицы ведут себя похоже на электроны и фотоны. Управляя параметрами среды, физики могут менять свойства такого эффективного взаимодействия в широких диапазонах.
Особый интерес в этом контексте представляют спиновые льды — решетки, состоящие из тетраэдров, в углах которых расположены спины. Их коллективные возбуждения можно описывать с помощью квазичастиц с определенным электрическим и магнитным зарядом, а также с помощью эмерджентных фотонов. Выстраиваемое таким образом эмерджентное электромагнитное взаимодействие может иметь совершенно иные количественные свойства, что откроет дорогу к наблюдению уникальных электромагнитных феноменов. Например, на сегодняшний день есть оценки, показывающие, что скорость света в спиновых льдах может быть очень мала. Однако, в литературе нет данных о том, как в таких средах будут меняться постоянная тонкой структуры и элементарный заряд, без которых невозможно последовательно описывать эффективное взаимодействие.
Провести такое исследование смогла группа физиков из Великобритании, Германии и США при участии Криса Лауманна (Chris Laumann) из Бостонского университета. Суть их работы заключается в том, что они провели моделирование решетки пирохлора, состоящей из 96 спинов, с помощью выбранной микроскопической модели, а затем описали получившиеся процессы с помощью макроскопической теории, где искомые константы выступали в роли подгоночных параметров.
Микроскопическая модель включала в себя гамильтониан, состоящий из двух частей. Первая часть описывала взаимодействие соседних спинов, вторая — процесс, при котором шесть спинов, выстроенный в шестиугольную петлю, одновременно меняют свое направление. С физической точки зрения первая часть ответственна за рождение пар частиц с противоположными зарядами, а вторая — за возникновение электрического поля за счет изменения направления спинов.
Проведя точную диагонализацию в ограниченном гильбертовом пространстве, физики смогли вычислить значения эффективных электрического заряда и скорости света, опираясь на данные, измеренные в реальных спиновых льдах. Оказалось, что эти константы зависят не только от свойств решетки (периода и константы переворота спиновой петли), но от параметров возмущения, связанных с изинговым взаимодействием с дальними соседями и со взаимодействием Рокшара — Кивельсона.
Примечательно, однако, что комбинация скорости света с электрическим зарядом, образующая постоянную тонкой структуры, оказалась не зависящей от свойств решетки, а лишь от параметров возмущения, которыми можно управлять. Физики оценили все эффективные константы для случая известных решеток на основе оксидов редкоземельных элементов со структурой пирохлора. В частности, для нулевых параметров возмущения, эффективный заряд оказался на четыре порядка меньше, чем привычный элементарный заряд, а скорость эмерджентного фотона на семь порядков меньше, чем скорость света в вакууме. Сама же постоянная тонкой структуры выросла на порядок.
Авторы отмечают, что предыдущие экспериментальные работы касались режимов со слабым взаимодействием квазичастиц, в то время как их результаты требуют иного подхода. В частности, ученые предсказывают, что новые эффекты следует искать при рассеянии нейтронов, а также через регистрацию черенковского излучения при движении заряженных частиц быстрее эффективной скорости света.
Спиновые льды регулярно привлекают внимание исследователей. Ранее мы писали, как в них предложили искать магнитные квазимонополи и даже рассчитали плотность их состояний.
Марат Хамадеев