Осмий назвали потенциальным вместилищем фермионов
В кристаллической структуре магнита вполне может существовать неуловимая и невесомая частица.
К такому выводу ученые из Окриджской национальной лаборатории при Министерстве энергетики США и университета Теннесси.
В работе, 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.
