Темная материя в свете метаматериалов: новый способ поиска аксионов от ученых из Университета ИТМО и нобелевского лауреата

Темная материя — одна из самых загадочных и неразрешенных проблем современной физики. Она составляет около 85% всей материи во Вселенной, но ее природа до сих пор остается неизвестной. Существует множество гипотез о том, из чего же состоит темная материя, но пока ни одна из них не получила экспериментального подтверждения. Одним из наиболее перспективных кандидатов на роль частицы темной материи являются аксионы — гипотетические сверхлегкие бозоны, предсказанные в 1970-х годах нобелевскими лауреатами по физике Фрэнком Вильчеком, Робертом Вайнбергом и Стивеном Вайнбергом.


Аксионы были введены для решения проблемы сильной CP-инвариантности — одного из основных принципов квантовой хромодинамики, теории сильного взаимодействия. Помимо этого, аксионы обладают еще одним уникальным свойством — они могут превращаться в фотоны и обратно под действием магнитного поля. Это означает, что аксионы могут быть обнаружены с помощью специальных детекторов, которые ищут слабые световые сигналы, возникающие при конверсии аксионов в фотоны.

Поиск аксионов в экспериментах сталкивается с рядом трудностей. Во-первых, масса аксионов очень мала — порядка 10^-5 эВ или меньше, что делает их очень слабо взаимодействующими с обычной материей. Во-вторых, конверсия аксионов в фотоны требует очень сильных магнитных полей — порядка нескольких Тесла или больше. В-третьих, световые сигналы от аксионов очень слабы и легко теряются на фоне шумов и помех. Поэтому, для обнаружения аксионов необходимы очень чувствительные и точные приборы, которые могут работать в широком диапазоне частот и магнитных полей.

Именно такие приборы пытаются создать ученые из Университета ИТМО в сотрудничестве с Фрэнком Вильчеком и другими коллегами из разных стран. Они предложили использовать для поиска аксионов специальный метаматериал — искусственно созданный материал, который имеет необычные электромагнитные свойства, отличные от свойств естественных материалов. Метаматериал состоит из массива микроскопических резонаторов — элементов, которые могут колебаться под действием электромагнитного поля с определенной частотой. Резонаторы расположены таким образом, что образуют периодическую структуру, которая может взаимодействовать с электромагнитными волнами в определенном диапазоне частот.

Такая структура называется фотонной кристаллической решеткой, по аналогии с атомной решеткой в обычных кристаллах. Фотонная решетка может изменять направление, частоту и поляризацию проходящих через нее волн, а также создавать запрещенные зоны — диапазоны частот, в которых волны не могут распространяться внутри решетки. Эти эффекты зависят от геометрии и материала резонаторов, а также от угла падения и поляризации волн.

Ученые из Университета ИТМО рассмотрели случай, когда фотонная решетка состоит из резонаторов, имеющих магнитный дипольный момент. Такие резонаторы могут быть сделаны, например, из проволочных кольцевых контуров или спиралей. Если такая решетка помещается во внешнее магнитное поле, то она может эффективно конвертировать аксионы в фотоны и наоборот. Это происходит потому, что магнитное поле возбуждает колебания магнитных диполей в резонаторах, которые в свою очередь излучают или поглощают фотоны. При этом частота колебаний зависит от массы аксиона и силы магнитного поля. Таким образом, изменяя магнитное поле, можно сканировать разные частоты и искать сигналы от аксионов.

Однако, простая фотонная решетка имеет недостаток — она работает только для одной поляризации волн, а для другой она является прозрачной. Это означает, что половина потенциальных сигналов от аксионов теряется. Чтобы исправить эту проблему, ученые предложили использовать более сложную структуру — двухслойную фотонную решетку, состоящую из двух разных типов резонаторов. Первый тип — это те же магнитные дипольные резонаторы, а второй тип — электрические дипольные резонаторы, которые могут быть сделаны из проволочных штырей или петель. Электрические дипольные резонаторы возбуждаются электрическим полем и излучают или поглощают фотоны с другой поляризацией, чем магнитные дипольные резонаторы. Таким образом, двухслойная фотонная решетка может работать для обеих поляризаций волн и увеличить эффективность конверсии аксионов в фотоны.



Ученые провели теоретический анализ свойств двухслойной фотонной решетки и показали, что она может быть использована для поиска аксионов с массами от 10^-6 до 10^-4 эВ при магнитных полях от 1 до 10 Тесла.

Ученые также предложили возможный экспериментальный способ реализации двухслойной фотонной решетки с помощью микрофабрикации и литографии. Для этого они использовали тонкие пленки из металла и диэлектрика, на которых наносили резонаторы разных типов с помощью лазерного луча. Таким образом, они получили компактную и гибкую структуру, которую можно поместить в любое магнитное поле. Ученые оценили, что такая структура может достичь эффективности конверсии аксионов в фотоны до 10% при оптимальных параметрах.

Новый метаматериал предоставляет уникальное преимущество — возможность контролировать эффективный аксионный отклик. Это достигается путем использования сборных элементов в структуре материала. В отличие от природных материалов, изучаемых в физике твердого тела, где такая возможность отсутствует, метаматериал позволяет усилить слабый аксионный отклик. Это открытие открывает новые перспективы для создания материалов с желаемыми оптическими и электромагнитными свойствами, что может иметь значимые последствия для различных областей, включая фотонику, электронику и телекоммуникации.


— Леон Шапошников, магистрант Университета ИТМО.

Работа ученых из Университета ИТМО является важным шагом в поиске темной материи с помощью метаматериалов. Они показали, что такие структуры могут быть не только эффективными, но и удобными для экспериментов. Они также открыли новые перспективы для изучения свойств аксионов и их взаимодействия с электромагнитными волнами. В будущем, ученые планируют провести экспериментальную проверку своей теории и сравнить ее с результатами других проектов по поиску аксионов, таких, как ADMX, CAST и IAXO.