Фермионы были обнаружены Германом Вейлем еще в 1929 году, но лишь сейчас в их исследовании наметился прогресс. Ученые заявляют, что частица может стать первым шагом на пути к созданию компьютеров, выполняющих операции с рекордной скоростью и при этом практически не нагревающихся. Один из авторов исследования, Захид Хасан (Zahid Hasan) из Принстонского университета (США, на фото), отмечает:
«Эти частицы будто обладают встроенной системой GPS, позволяющей им двигаться, не сталкиваясь друг с другом и с другими обитателями микромира. Так как они 'закручены' в одну сторону – влево или вправо, частицы двигаются только в одном направлении и никогда не останавливаются. Их можно назвать сверхбыстрыми электронами, ведущими себя так же, как световой луч от фонарика, и их можно будет использовать для создания квантовых компьютеров».
В начале 1920-х годов Поль Дирак вывел уравнения для описания движения электрона, позитрона и других микрообъектов, которые одновременно обладали свойствами и частицы, и волны. Изучая эти уравнения, Вейль обнаружил, что формулами, описанными Дираком, допускается существование частиц, которые не обладают массой, при этом движутся по особым законам со скоростью близкой к скорости света. В то время выводы, сделанные Вейлем, и подтверждающие их расчеты научной общественностью не воспринимались всерьез, так как противоречили представлениям физики. Долгое время ученые считали, что такими свойствами обладают нейтрино – в частности, до экспериментов, проведенных в конце 1980-х годов, их считали безмассовыми.
Сегодня научная проблема вновь стала актуальна, поэтому Хасан и его коллеги, а также другие группы исследователей стали активно заниматься поиском частиц, которые были названы фермионами Вейля. Хасан обнаружил частицы внутри фотонных кристаллов, которые были изготовлены из наночастиц таллия и мышьяка, обладающих разными оптическими свойствами. Кристаллы в данном случае являются средой с избирательной оптической проводимостью: волны света определенной длины от них отражаются, другие же распространяются свободно внутри кристалла. Физиками кристаллы данного типа используются для усиления отдельных фотонов, а также для превращения видимого света в другие виды электромагнитного излучения.
Создав фотонный кристалл в лаборатории, Хасан и его коллеги облучили его лучами мягкого рентгена и ультрафиолета. Спонтанно внутри кристалла были обнаружены виртуальные фермионы Вейля – группы из нескольких связанных друг с другом электронов. При этом противоположно заряженные частицы не всегда притягивались друг к другу, обладая крайне высокой скоростью движения и при этом «бесконфликтностью». Фактически виртуальные фермионы Вейля можно рассматривать как аналоги гипотетических магнитных монополей и анти-монополей.
Открытие, сделанное командой Хасана, косвенно подтверждается группой исследователей из Массачусетского технологического института, а также специалистами из университета провинции Чжэцян (Китай). Обе группы создали фотонные кристаллы несколько других типов, однако внутри них те же самые квазичастицы также наблюдались.
Ашвин Вишванат (Ashvin Vishwanath), профессор физики из университета Калифорнии в Беркли, не принимавший участие в исследованиях, утверждает:
«Эксперименты профессора Хасана подтверждают наблюдения двух необычных свойств в объеме кристалла, а также предсказанных теоретически поверхностных состояний. Пока рано говорить, какие практические последствия сможет принести это открытие, однако очевидно, что фермионы Вейля смогут стать основой для создания прямых электронных 3D-аналогов графена, которые необходимо будет серьезно изучить для использования в дальнейшем».
