Физики Университета ИТМО предсказали существование ранее неизвестного типа электромагнитного отклика среды — дуального аксионного. Он отличается от аксионного отклика, который ученые активно изучают в последние годы в фотонике и физике конденсированного состояния. Открытие позволяет по-новому взглянуть на результаты уже известных экспериментов и создает основу для новой области исследований. Работа поддержана грантом Российского научного фонда и опубликована в журнале Nature Communications. 

Фото: sakkmesterke / Фотобанк Фотодженика

Аксионы — гипотетические частицы, которые могли бы объяснить нарушения симметрии в Стандартной модели и стать кандидатами на роль частиц темной материи. Хотя в природе аксионы пока не найдены, похожие эффекты возникают в твердом теле и в фотонных структурах. Помимо широко известных диэлектрической и магнитной проницаемости такие структуры описываются с помощью эффективного аксионного отклика, который нарушает симметрии к пространственной инверсии и обращению времени и дает возможность изучать эффекты аксионной электродинамики в лаборатории.

В своей работе физики Университета ИТМО предсказали новый тип электромагнитных свойств среды — дуальный аксионный отклик. Пока ученые описали, как найти его в метаматериалах — искусственно созданных структурах, — но есть все основания считать, что новый тип отклика есть и в природных средах.

«При описании обычного аксионного отклика в уравнениях Максвелла появляются дополнительные электрические источники, но общий электрический заряд системы не меняется. Аналогично, при описании дуального аксионного отклика в уравнениях возникают магнитные источники, при этом полный магнитный заряд системы по-прежнему нулевой» — объясняет Тимур Сеидов, первый автор статьи и аспирант Университета ИТМО.

Идея добавления магнитных зарядов в уравнения Максвелла не нова: многие годы она рассматривалась физиками-теоретиками, но была отброшена — магнитные монополи так и не были обнаружены в природе. Однако ситуация с описанием коллективных возбуждений в твердотельных структурах оказалась сложнее и богаче.

«Долгие годы считалось, чтобы получить уравнения электродинамики в среде, нужно добавить поправки, связанные с поляризацией и намагниченностью, в одну пару уравнений Максвелла, а другую оставить без изменений. В этой парадигме написаны все учебники, и сам я преподавал курс электродинамики именно так. Но оказалось, что в некоторых средах меняется и вторая пара уравнений — это ведет к совершенно неожиданным результатам», — комментирует Максим Горлач, ведущий научный сотрудник ИТМО, руководитель научного коллектива и последний автор работы.

Чтобы продемонстрировать новый тип отклика в метаматериалах, потребовался детальный теоретический анализ и масштабное численное моделирование.

«Оказалось, что среда с дуальным аксионным откликом рассеивает падающий свет совершенно так же, как и среда с известным аксионным откликом. Поэтому, чтобы убедительно показать новую физику, понадобилось смоделировать взаимодействие материала с зарядами, помещенными внутрь», — рассказывает Эдуардо Барредо, второй автор статьи и аспирант ИТМО.

Ученые предполагают, что в некоторых экспериментах, ошибочно интерпретированных как наблюдение классического аксионного отклика, на самом деле регистрировался дуальный отклик.

«Привычная парадигма в фотонике заключалась в том, что достаточно посветить на материал разными способами и изучить рассеянное поле, чтобы полностью понять его электродинамические свойства. Наша работа показывает, что это не всегда так», — отмечает Тимур Сеидов.

Авторы статьи также предложили экспериментальную схему, как различить два типа отклика.

«Первые результаты показались настолько необычными и вызвали столько вопросов, что нам потребовалось два года, чтобы осознать и сформулировать новую концепцию. Не сомневаюсь, что эта работа задаст новое научное направление и еще приведет к многим прорывным результатам. К слову, за всю историю нашего университета эта статья в Nature Communications — единственная, в которой вклад ученых из ИТМО составляет 100%», — заключает руководитель фронтирной лаборатории Максим Горлач.

Исследование выполнено при поддержке гранта № 23-72-10026 Российского научного фонда и программы «Приоритет 2030».