Большой взрыв в лабораторном кристалле: физики наблюдают удивительную гравитационную аномалию

Экзотический эффект, который имеет место в сильнейших гравитационных полях – вблизи чёрной дыры или даже в условиях, которые были сразу после Большого взрыва – был зафиксирован в лабораторных условиях. Об этом сообщила международная команда физиков, исследующих свойства материалов, в том числе, в контексте теории струн.

Команда, возглавляемая физиком Йоханнесом Готом (Johannes Gooth) из исследовательского центра IBM Research в Цюрихе (Швейцария), заявила, что наблюдала долговременный эффект, называемый аксиальной гравитационной аномалией. Этот термин обозначает наблюдаемые необычные показатели гравитационного поля или гравитационные характеристики объекта, а понятие "аксиальный" указывает на то, что они имеют направление вдоль какой-либо оси. Ранее считалось, что лишь такой тип материи, как кварк-глюонная плазма, может демонстрировать подобный феномен.

Однако оказалось, что тот же эффект может наблюдаться в полуметаллах Вейля (Weyl semimetals). Вейлевские фермионы были впервые описаны в 1920-х годах прошлого века математиком Германом Вейлем. От других видов частиц они отличаются тем, что у них нет массы, а кроме того, им свойственна хиральность, то есть отсутствие определённого вида симметрии.

Авторы работы поясняют, что огромные гравитационные поля, изгибающие пространственно-временной фон, должны разрушать симметрию отдельных видов частиц. В лаборатории невозможно создать условия, необходимые для доказательства существования этого необычного нарушения, но исследователи использовали своеобразную параллель между гравитацией и температурой, чтобы создать лабораторный аналог аномалии в кристаллах фосфида ниобия – он как раз и является полуметаллом Вейля.

Электроны в этом материале подразделяются на две группы, в зависимости от направления вращения (как правило, существует равное количество электронов каждого типа). Однако, когда физики имитировали гравитационное поле, организовав в кристалле температурный градиент, они обнаружили, что эта симметрия нарушается, превращая электроны одного типа в другой и наоборот. Подобная аномалия наблюдается при нормальных обстоятельствах на Земле впервые.

"Эту аномалию настолько трудно измерить, что даже косвенные доказательства являются серьёзным прорывом", — отмечает член исследовательской группы Адольфо Грушин (Adolfo Grushin) из Калифорнийского университета в Беркли.

Отметим, что вейлевские фермионы уже были замечены ранее внутри некоторых кристаллов: в ходе экспериментов квантовомеханические эффекты приводили к тому, что электроны материала точно так же нарушали симметрию. В 2015 году исследователи показали, что сильные магнитные и электрические поля могут нарушать симметрию внутри квантового материала, известного как полуметалл Дирака.

Теперь же команда Гота подтвердила, что гравитация также может разрушить симметрию. По словам авторов работы, влияние кривизны пространства-времени на частицы Вейля математически эквивалентно эффекту от наложения температурного градиента.

Причина заключается в известном уравнении Эйнштейна E = mc², объясняет Гот.

"В релятивистской квантовой теории поля потоки энергии и массы становятся одинаковыми, – говорит он. – Массовый поток управляется градиентами гравитационного поля и потоком энергии по температурным градиентам. Градиент температуры для релятивистских фермионов Вейля, таким образом, имитирует градиент гравитационного поля".

Чтобы получить доказательства нарушения симметрии, исследователи измерили проводимость кристаллического фосфида ниобия в микроэлектронной цепи. Когда они позднее получили температурный градиент и применили магнитное поле, они обнаружили электрический ток, создаваемый дисбалансом в двух типах фермионов Вейля: число левых квазичастиц, движущихся в одном направлении через образец, было не таким, как число правых, движущихся в противоположном направлении.

"Поведение потока (частиц – прим.ред.) при изменении магнитного поля – именно то, что предсказывает теория осевой гравитационной аномалии", — говорит Грушин.

"Это невероятно волнующее открытие, – добавляет соавтор исследования Карл Ландштайнер (Karl Landsteiner). – Мы можем заключить, что то же нарушение симметрии можно наблюдать в любой физической системе".

Впрочем, как это часто бывает, некоторые физики восприняли научную работу скептически. К примеру, Борис Спивак (Boris Spivak) из Вашингтонского университета в Сиэтле убеждён, что осевая гравитационная аномалия просто не может существовать в полуметаллах Вейля. "Существует много других механизмов, которые могут объяснить эти данные", — уверен учёный.

На защиту команды встал Субир Сахдев (Subir Sachdev), специалист по квантовым эффектам в твёрдых материалах из Гарвардского университета. Он полагает, что доказательства авторов убедительны, и существование аномалии не вызывает сомнений. "Приятно видеть, что она появляется в реальных материалах", — добавляет Сахдев. По его мнению, работа подтверждает, что гравитация взаимодействует с квантовыми полями, как это показано теорией относительности Эйнштейна.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature, уверены: понимание того, как аксиальная гравитационная аномалия проявляется в различных материалах, может привести к созданию нового раздела физики. Осталось изучить другие материалы.

В компании IBM также надеются, что в дальнейшем результаты этих экспериментов будут использованы в электронике: устройства, которые будут генерировать аномалию, могут повысить эффективность материалов, создающих электрическую энергию под воздействием температурных градиентов.