Киральные материалы20.08.2015 14:38

Физик Дмитрий Харзеев о кирально-магнитном эффекте, трехмерных дираковских полуметаллах и применении материалов с заданной киральностью

Что такое киральность? Киральный объект — это объект, который отличается от своего отражения в зеркале. Если вы посмотрите в зеркало, то заметите, что вы отличаетесь от своего двойника в зеркале. Например, у вас часы надеты на левой руке, а у вашего двойника — на правой. Это означает, что мы с вами киральные объекты.

Само слово «киральность» происходит от греческого слова «рука», и рука, конечно же, простейший пример кирального объекта. Когда я говорю «правая рука», мы сразу понимаем, о какой руке идет речь.

Если вы возьмете микроскоп и посмотрите на себя с бо́льшим разрешением, то обнаружите, что наше тело сделано из киральных молекул, а сами молекулы ДНК, двойная спираль, — это киральный объект. Более того, молекулы ДНК завязаны в узлы, и узлы часто тоже представляют собой киральный объект — вы можете отличить узел от его зеркального отражения. Если вы увеличите молекулу ДНК до такой степени, что ее толщина станет сравнимой с толщиной рыболовной лески, то длина молекулы может достигать нескольких сот километров. Поэтому понятно, что рыболовная леска длиной в несколько сот километров образует очень сложные узлы, и чаще всего эти узлы обладают свойством киральности.

Киральность также присуща многим объектам и частицам, которые в состоянии двигаться. Например, если вы возьмете пропеллер старого самолета, он представляет собой киральный объект и, когда приходит в движение и начинает вращаться, приводит в движение самолет. Таким образом, киральность очень тесно связана с движением.

Многие элементарные частицы обладают угловым моментом, спином, и можно представить, что они вращаются. Когда вращающаяся частица распространяется в пространстве, она описывает либо левый, либо правый винт в зависимости от того, в какую сторону она крутится. И поэтому киральность является очень важным свойством этих элементарных частиц.

Она также определяет то, как эти киральные частицы взаимодействуют с внешними полями. Например, в квантовой механике частица может проходить через потенциальный барьер. В классической механике это невозможно, потому что у нее не хватает энергии, для того чтобы преодолеть этот барьер, но в квантовой физике частица всегда может одолжить на короткое время недостающее количество энергии и пройти через барьер. При этом чем барьер выше и шире, тем меньше вероятность прохождения.

Киральные же частицы взаимодействуют с этими потенциальными барьерами совсем по-другому. Все дело в том, что если киральная частица подходит к потенциальному барьеру, то, если бы она отразилась от этого барьера, ее киральность бы изменилась. Но киральность для безмассовых частиц всегда сохраняется, поэтому ее отражение от барьера просто невозможно, и частице ничего не остается, кроме как пройти через потенциальный барьер. Она проходит через этот барьер со стопроцентной вероятностью вне зависимости от того, насколько широким или высоким являлся бы этот барьер. Поэтому безмассовые частицы, обладающие киральностью, имеют ряд уникальных свойств, которые можно использовать как в ядерной физике и физике элементарных частиц, так и в физике новых материалов.

Более того, если частица со спином находится в магнитном поле, то в магнитном поле спин положительной частицы выстраивается параллельно направлению магнитного поля.

Это означает, что мы можем манипулировать частицей, помещая ее в магнитное поле.

Ясно, что если мы поместили частицу в магнитное поле, то она может распространяться либо вдоль магнитного поля, либо против него. Если она распространяется вдоль магнитного поля — она является правой частицей, если она распространяется против магнитного поля — она является левой частицей. Поэтому если у нас есть система частиц, в которой число левых и правых частиц равно, то никакого тока не возникает, поскольку равное число частиц движется в одну сторону и в другую, то есть никакого тока не возникает.

Однако если нам удастся создать систему частиц, в которой все частицы будут, например, правыми, то это будет означать, что все правые частицы должны будут двигаться в определенном направлении, и это создаст в системе электрический ток. Таким образом, магнитное поле и дисбаланс киральности частиц приводят к электрическому току, и это так называемый кирально-магнитный эффект.

Возникает вопрос: как мы создадим систему элементарных частиц, которые будут обладать заданной киральностью? В природе такого дисбаланса не существует, нам нужно научиться создавать в лаборатории дисбаланс между числом правых и левых частиц. Здесь мы можем вспомнить про киральность узлов ДНК, потому что электромагнитное поле и поле глюонов в теории сильных взаимодействий тоже могут быть закручены в узлы, линии поля могут образовывать киральные узлы. И так как заряженные частицы взаимодействуют с электромагнитным полем, то киральность узлов может перетекать в киральность частиц. Таким образом, если мы поместим в такое заузленное электромагнитное поле квантовые частицы, то киральность узлов электромагнитного поля может передаться частицам, и, таким образом, мы получим систему элементарных частиц, в которой число левых и правых частиц будет разным, и в этой системе, как я объяснил, возникнет электрический ток.

Первым приложением этой идеи была физика кварк-глюонной плазмы. В столкновении релятивистских ядер возникает сильное магнитное поле. Более того, возникает флуктуация в числе левых и правых частиц, которая приводит к флуктуации электрического тока и флуктуации распределения заряда после соударения.

Но в 2014 году был получен новый класс материалов, в ряде случаев распознан новый класс материалов, которые существовали до этого, но люди не понимали, что они обладают такими свойствами, и в которых электроны ведут себя как безмассовые киральные квазичастицы, — это так называемые трехмерные дираковские полуметаллы. И оказывается, что все эти явления можно изучать в дираковских полуметаллах. Например, можно взять полуметалл, поместить его в правильное электрическое и магнитное поля, это приводит к заузленной конфигурации электромагнитного поля, что создает разницу в плотности левых и правых киральных квазичастиц, и за счет того, что у нас есть разница в числе правых и левых киральных квазичастиц, возникает электрический ток, который мы можем наблюдать в эксперименте. Это эксперимент, который был поставлен в Брукхейвене в декабре 2014 года. Я тоже был частью этой экспериментальной группы, и нам удалось наблюсти этот эффект экспериментально.

С тех пор этот эффект наблюдался несколькими другими группами по всему миру, и интерес к этому эффекту связан с тем, что если нам удастся получить материал, в котором киральность будет сохраняться, то электрический ток, который мы сейчас создаем, в этих кристаллах будет вести себя подобно току в сверхпроводниках. То есть это будет явление сверхпроводимости, которое будет существовать до температур, до которых кристалл обладает киральными квазичастицами. В настоящий момент это температура порядка 100 градусов по Кельвину, сравнимая с лучшими высокотемпературными сверхпроводниками. Мы думаем, что есть шанс поднять эту температуру существенно выше и создать такой новый класс высокотемпературных материалов, которые будут обладать незатухающим электрическим током.

Конечно же, такие материалы очень пригодятся и в современной электронике для создания нового класса приборов, устройств, процессоров. Более того, ток, который течет в этих материалах, переносит не только электрический заряд, но и киральный. Таким образом, есть дополнительная информация, которую переносит этот ток.

Более того, оказалось, что такие материалы очень интересно взаимодействуют со светом. Явление это существует в природе с древних времен.

Например, если вы возьмете знаменитого жука-скарабея, который очень почитался в Древнем Египте, и посмотрите на него через фильтр, пропускающий только правополяризованный свет, то увидите, что жук исчез.

Если же вы посмотрите на него через фильтр, пропускающий левополяризованный свет, то вы увидите жука таким же, каким вы его видите вообще без фильтра. Это происходит из-за того, что жук отражает только левополяризованный свет, то есть его поверхность состоит из киральных молекул. И оказалось, что эти материалы, в которых мы можем создать разницу в плотности левых и правых квазичастиц, взаимодействуют со светом точно так же: они отражают лево- и правополяризованный свет совсем по-разному, что можно использовать во многих современных приложениях.

Более того, из-за того, что квазичастицы в таких материалах являются безмассовыми, они очень сильно взаимодействуют не только с видимым светом, но и со светом существенно меньшей частоты, в том числе и со светом в так называемом терагерцовом диапазоне. Это открывает очень интересные возможности. В частности, известно, что в терагерцовом диапазоне очень ярко и контрастно видны опухоли рака. Поэтому материалы, которые в состоянии детектировать свет в терагерцовом диапазоне и, более того, чувствительны к поляризации отраженного света, имеют большой потенциал в области биомедицины.

Поэтому здесь открываются большие интересные возможности, и, безусловно, я думаю, что вы еще услышите о новой физике, которая связана с киральностью, и о новых приложениях киральных материалов и в физике частиц, и в ядерной физике, и в физике материалов.

Дмитрий Харзеев