Физики увидели аксионоподобную квазичастицу в двумерном магнетике

Физики из США экспериментально обнаружили аксионоподобную квазичастицу — коллективное возбуждение, аналогичное гипотетической частице аксиону. Они использовали фемтосекундные лазерные импульсы и двойную электрогейтовую структуру, чтобы запустить магноны в образце двумерного теллурида марганца-висмута (MnBi₂Te₄) и одновременно отслеживали индуцированное электрическим полем намагничивание. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Аксион — гипотетическая частица, которая могла бы решить проблемы сильного взаимодействия в квантовой хромодинамике и заодно служит кандидатом в темную материю. Несмотря на то, что лабораторные и астрофизические эксперименты давно ведут за ней охоту, аксион пока не нашли. Тем не менее в твердых телах может существовать аналогичный феномен: поле, связанное с топологическими свойствами материала, способно к когерентным колебаниям. Такие колебания могут создавать так называемую аксионную квазичастицу, которую до сих пор обнаружить не удавалось.

Исследователи под руководством Сюй Су-Яна (Su-Yang Xu) из Гарвардского университета смогли обнаружить такие осцилляции. Для этого исследователи размещали между двумя электрическими затворами тонкие шестислойные образцы теллурида марганца-висмута (MnBi₂Te₄), антимагнитного топологического изолятора, в котором нарушена одновременно и пространственная симметрия и временная. На них воздействовали ультракороткими лазерными импульсами, возбуждая магнитные колебания (магноны), а пробный пучок вместе с регулируемым электрическим полем позволял регистрировать сверхбыструю модуляцию намагниченности. В результате удалось увидеть когерентные колебания с частотой около 44 гигагерц, соответствующие аксионоподобной степени свободы.

Авторы показали, что ключевую роль играет так называемый внефазовый магнон, при котором колебания спинов в соседних слоях происходят в противоположной фазе. Именно он индуцирует осцилляции и, следовательно, порождает аксионную квазичастицу.

Авторы отмечают, что аксионная квазичастица не только симулирует аксионы высокой энергии, но также может быть использована для их поиска. Благодаря высокой чувствительности и возможности настройки частоты детектирования при помощи магнитного поля, материалы типа MnBi₂Te₄ потенциально позволяют исследовать диапазоны массы аксиона, недоступные современным детекторам.

Об экспериментах по поискам аксионов и других редких частиц можно прочитать в нашем материале «Раритеты микромира: Возвращение неуловимых».