Осмий назвали потенциальным вместилищем фермионов

В кристаллической структуре магнита вполне может существовать неуловимая и невесомая частица.

К такому выводу пришли ученые из Окриджской национальной лаборатории при Министерстве энергетики США и университета Теннесси.

В работе, опубликованной в издании Nature Communications, исследователи изучили материал, содержащий плотный элемент осмий, и зафиксировали два условия, требуемые для наличия фермионов Вейла — частиц без массы, предсказанных в 1929 году и экспериментально наблюдаемых впервые в 2015 году.

Ученые постоянно ищут все новые материалы, которые могли бы приютить эти частицы, чтобы использовать их уникальные свойства в спинтронике и квантовых компьютерах.

— В таком материале частицы могут вести себя как электроны, но при этом благодаря отсутствию массы они способны перемещаться значительно быстрее, заявил первый автор исследования Стюарт Калдер. — Поскольку вся электроника фактически основана на электроне, если заменить электроны фермионами, можно получить намного более быстрые устройства.

Первый есть

И вот недавно ученые провели исследование нейтронной дифракции с помощью High Flux Isotope Reactor (высокопоточный ядерный реактор для производства изотопов), чтобы точно определить магнитный порядок материала на основе осмия с пирохлоровой кристаллической структурой. Выяснилось, что магнитный порядок полностью соответствует тому, что необходим для содержания фермионов Вейла.

— Это характеризует спины электронов и их взаимодействие; они все направлены либо к центру, либо наружу, отметил Калдер. — Нейтроны — стандартный и оптимальный способ определения магнитной структуры.

Второй есть

Второй критерий — мощное спин-орбитальное сцепление. Это свойство всех атомов, которое описывает, как связаны спин электрона и его движение вокруг атома. В целом более крупные атомы с большим количеством электронов демонстрируют более мощный спин-орбитальный эффект.

Однако осмий в пирохлоре, несмотря на то, что тяжел и плотен, обладает такой электронной конфигурацией, при которой спин-орбитальные эффекты должны быть полностью упразднены.

Но не тут-то было! Исследователи нашли подтверждение двойного спин-орбитального сцепления в осмате пирохлора с помощью рентгенного анализа на Advanced Photon Source (источник синхротронного излучения).

— Ожидалось, что спин-орбитальное сцепление осмия должно подавляться или игнорироваться в пирохлоре, заявил Калдер. — Однако мы первые в мире исследовали материал на основе осмия с помощью синхротрона. И нашли мощные спин-орбитальные связи, которых здесь быть не должно.

Не фермионы, но их возможность

Калдер отмечает, что результат исследования не доказывает напрямую существование фермионов в осмате. Он лишь указывает на соответствующий потенциал.

— Исследование демонстрирует магнитное базовое состояние материала и наличие сильных спин-орбитальных связей — все, что нужно для наличия фермионов, заключил он. — Многие наши коллеги заняты исследованиями материалов на основе иридия, а мы доказали, что и осмий не менее важен.

07.06.2016