Физики предсказали дуальное аксионное поле

Российские физики предположили существование так называемого дуального аксионного поля — электромагнитного отклика в веществе, нарушающего симметрию четности и времени. Ученые описали феномен теоретически, а также смоделировали его численно и предложили экспериментальную реализацию с помощью фотонных структур. Гипотеза может указать на новые свойства аксионов до их фактического открытия. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Чтобы описать сложную конденсированную среду, необязательно учитывать все избыточные степени свободы в задаче и тратить большое количество ресурсов на экспериментальную реализацию. Вместо этого физики часто используют фотонные структуры с несколькими ключевыми параметрами, поскольку такие системы можно охарактеризовать, задействуя аналогии с квантовой теорией поля. Например, с помощью конденсата в оптических решетках ученые имитировали скрученный двухслойный материал и описали его фазовые переходы.

Подобный метод особенно заинтересовал исследователей в случае аксионов — гипотетических элементарных частиц, которые до сих пор не обнаружили экспериментально. Дело в том, что фотонные структуры можно описать с помощью концепций, которые не имеют аналогов в рамках стандартной модели, где аксионы реализуются как коллективные возбуждения в оптической системе.

Максим Горлач (Maxim Gorlach) из Университета ИТМО совместно с коллегами из России обнаружил новый тип электромагнитного отклика в веществе, который назвал дуальным аксионным полем. Это поле нарушает симметрию четности и времени, при этом проявляя себя на границах метаматериала при введении в него дополнительного возбуждения.

Физики предложили следующую экспериментальную схему: необходимо собрать стопку из девяти пар противоположно намагниченных слоев толщиной по два миллиметра каждый. После этого можно использовать внешний источник, введенный в середину пластины, чтобы различить обычный и двойной аксионный отклик в системе — например, параллельный пластинам провод с переменным током. Помимо этого, исследователи предположили, что подобную структуру можно возбудить точечным электрическим диполем, который параллелен слоям конструкции.

В отличие от обычного аксионного отклика, определяемого орбитальным движением электрона, дуальное аксионное поле появляется в материале из-за вклада электронных спинов. При этом оба вида отклика нарушают по отдельности четность и временную симметрию, в то же время сохраняя симметрию четности и времени вместе. Другими словами, при одновременном действии операторов инверсии четности и обращения времени система сохраняет инвариантность.

Авторы работы также предположили, что обычный и двойной аксионный отклик могут существовать в некоторых материалах одновременно и даже непрерывно трансформироваться друг в друга при изменении частоты поля, геометрии и других параметров структуры.

О том, как физики численно нашли параметры метаматериала, чей магнитооптический отклик повторяет отклик аксионов, мы писали ранее.