Явление хиральности встречается в природе повсеместно: это фундаментальное свойство, которое выражается в том, что система может быть несовместима в пространстве со своим зеркальным отображением. Простейшая иллюстрация — правая и левая руки человека (название явления также происходит от греческого «рука»). «Правыми» и «левыми» формами обладают некоторые биомолекулы, квантовые точки, а у элементарных частиц хиральность выражается в проекции собственного момента импульса (спина) на направление движения: спин может быть направлен по направлению движения частицы или против него.
В своей публикации сотрудник канадского Университета Ватерлоо и международной лаборатории Университета ИТМО «Прямое преобразование энергии и наноинжиниринг термоэлектрических структур» Антон Бурков обращается к феномену так называемой хиральной аномалии. Первые исследования, которые привели к открытию феномена, относятся к сороковым годам прошлого века, когда ученые впервые описали разделение элементарных частиц с нулевой массой на «правые» и «левые» (они отнесли к таким частицам и нейтрино, за доказательство наличия массы у которых в 2015 году была вручена Нобелевская премия по физике). Считалось, что группы частиц с разной хиральностью никогда не перемешиваются. Однако в 1969 году Стефан Адлер, Джон Белл и Роман Джакив пришли к выводу, что это строгое разделение нарушается, если поместить частицы в электромагнитное поле, у которого векторы магнитной и электрической компонент параллельны. «Правые» и «левые» частицы перемешиваются и трансформируются друг в друга с наблюдаемыми последствиями.
Чтобы объяснить этот феномен, Антон Бурков обращается к одной из теорий Поля Дирака, вытекающей из уравнения, выведенного ученым в 1928 году. Оно предсказывало существование у фермионов, к которым относится и электрон, отрицательных энергетических уровней — буквальное толкование означало, что электроны могут повсеместно проваливаться на отрицательные уровни. Для объяснения этого парадокса Поль Дирак предложил гипотезу, согласно которой в вакууме все состояния с отрицательной энергией уже заняты «морем» ненаблюдаемых электронов. Они не дают обычным электронам «падать» вниз, так как те подчиняются принципу запрета Паули — две одинаковых частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии одновременно. Приложением внешней энергии электрон можно «выбить» из моря, и на его месте образуется дырка, которая будет выглядеть как частица с той же массой, но противоположным зарядом. Возможен и обратный процесс, когда частица проваливается в соответствующую ей дырку, то есть происходит аннигиляция частицы и ее античастицы с высвобождением энергии.
Существование позитрона, античастицы электрона, действительно было экспериментально доказано Карлом Андерсоном в 1932 году. Тем не менее, в современной физике элементарных частиц гипотеза «моря», как правило, буквально не воспринимается. Однако она помогает лучше понять феномен хиральной аномалии. Если предположить, что все негативные энергетические состояния заполнены фермионами одной хиральности, а положительные — пусты, то приложение электрического и магнитного полей одной направленности дает необходимую внешнюю энергию. Оно разгоняет частицы и заставляет их перескакивать на противоположные энергетические состояния, в связи с чем их спин со временем изменится. Это подразумевает появление частиц одной хиральности и их античастиц с противоположной; общий заряд остается прежним, в то время как баланс правых и левых фермионов смещается.
Экспериментальное доказательство существования хиральной аномалии, которое в 1983 году предсказали Хольгер Бех Нильсен и Масао Ниномия, стало возможным благодаря открытию так называемых дираковских и вейлевских полуметаллов, пишет Антон Бурков. Это кристаллы определенного типа, в электронной структуре которых одновременно присутствуют частицы с разной хиральностью. Группа ученых из Принстона исследовала поведение электронов под воздействием электромагнитного поля в одном из таких полуметаллов — тринатриде висмута (Na3Bi). В параллельном электрическому току магнитном поле возникал всплеск проводимости, а при повороте магнитного поля аномалия исчезала. Объяснить этот эффект возможно только при помощи хиральной аномалии — «правые» и «левые» частицы перемешивались. Причем аномалия наблюдалась при температуре вплоть до 90 градусов по шкале Кельвина (-183,15 по Цельсию), которая является достаточно высокой для наблюдения таких квантовомеханических явлений на макроскопическом уровне. Дальнейшее развитие этих исследований может помочь развитию технологий — снизить рассеяние токопроводящих электронов и поднять энергоэффективность электронных устройств будущего.
«В последние несколько лет в физике твердого тела было сделано несколько фундаментальных открытий о влиянии топологии электронной структуры на наблюдаемые свойства материалов, например, открытие дираковских и вейлевских полуметаллов. Они обладают интересными свойствами, которые до сих пор наблюдались только в физике элементарных частиц. Одно из таких свойств - хиральная аномалия, и эффекты, подобные ей и связанные с проявлением квантовой механики на макроскопических масштабах, как правило, являются многообещающими с точки зрения разработки новых технологий. Другой пример такого явления — сверхпроводимость», — комментирует Антон Бурков.
Ознакомиться с аннотацией и полным текстом статьи можно на официальном портале журнала Science.
