Физики из Университета ИТМО открыли новый тип электромагнитного отклика материала — дуальный аксионный. Он отличается от уже известного аксионного отклика, который активно исследуют в фотонике и физике конденсированного состояния. Это открытие заставляет по-новому взглянуть на результаты прошлых экспериментов и может стать основой для целого направления в науке.

Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в журнале Nature Communications.

Аксионы — гипотетические частицы, которые могли бы объяснить пробелы в Стандартной модели и даже быть частью темной материи. Хотя их пока не нашли в природе, похожие эффекты можно наблюдать в искусственных материалах — метаматериалах. Обычно электромагнитные свойства вещества описывают через диэлектрическую и магнитную проницаемость, но аксионный отклик добавляет новые необычные эффекты, нарушающие привычные симметрии.

Аксионный отклик — это необычное свойство некоторых материалов, при котором в них возникают дополнительные электромагнитные эффекты, нарушающие симметрию (например, делающие материал чувствительным к направлению света).

Теперь ученые предсказали дуальный вариант такого отклика. Если обычный аксионный отклик в уравнениях Максвелла проявляется как дополнительные электрические источники (без изменения общего заряда), то дуальный — как магнитные, хотя суммарный магнитный заряд тоже остается нулевым.

Раньше считалось, что для описания электродинамики в среде нужно менять только одну пару уравнений Максвелла, а вторую оставлять как есть. Но оказалось, что в некоторых материалах меняется и вторая пара — это открывает неожиданные возможности, — говорит Максим Горлач, руководитель исследования.

Чтобы подтвердить существование дуального аксионного отклика, ученые провели сложные расчеты и моделирование. Оказалось, что такой материал рассеивает свет так же, как и с обычным аксионным откликом, поэтому различить их можно только в особых условиях — например, если поместить внутрь электрические заряды.

Возможно, в некоторых экспериментах, где думали, что видят обычный аксионный отклик, на самом деле наблюдали дуальный, — отмечает Тимур Сеидов, первый автор работы.

Исследователи уже предложили схему, как отличить один отклик от другого. По их словам, это открытие может изменить подходы в фотонике и привести к новым прорывам.

Первые результаты казались настолько странными, что нам понадобилось два года, чтобы их осмыслить. Но теперь я уверен — это начало большого научного направления, — заключает Горлач.

Открытие дуального аксионного отклика может:

• Улучшить метаматериалы — искусственные структуры с необычными свойствами, например, для невидимости или сверхчувствительных датчиков.
• Пересмотреть прошлые эксперименты — возможно, некоторые эффекты, которые приписывали обычному аксионному отклику, на самом деле связаны с дуальным.
• Создать новые технологии управления светом — например, более эффективные оптические компьютеры или защищенные каналы связи.

Отметим, что пока дуальный аксионный отклик предсказан только теоретически — экспериментального подтверждения нет. Кроме того, он проявляется в очень специфических условиях, что может затруднить его практическое применение.

Ранее ученые заявили, что открытие аксиона поможет понять свойства темной материи.