ბნელი მატერია არის მატერიის ფარული ფორმა, რომელიც შეადგენს სამყაროს მასის 85%-ს, თუმცა მეცნიერებმა დაზუსტებით არ იციან თუ რისგან შედგება ის. 2025 წლის 16 აპრილს ჟურნალმა Nature გამოქვეყნა სტატია "აქსიონურ კვაზინაწილაკზე დაკვირვება ორგანზომილებიან MnBi₂Te₄-ში". კვლევაში მეცნიერების საერთაშორისო ჯგუფი გვთავაზობს აქსიონების (ფარული მატერიის ერთ-ერთი ძირითადი კანდიდატი ნაწილაკების) ნახევარგამტარულ ტექნოლოგიაზე დაფუძნებული დეტექტორის პროექტს. მეცნიერებმა შექმნეს სპეციფიკური "კოსმოსური რადიო-დეტექტორი“, რომელსაც სიხშირის ზუსტი შერჩევით ძალუძს დაგვეხმაროს ფარული მატერიის სუსტი სიგნალების აღმოჩენაში მომდევნო 15 წლის განმავლობაში.

აქსიონური კვაზინაწილაკები მკვლევრებმა დააფიქსირეს ორგანზომილებიან მაგნიტურ ტოპოლოგიურ იზოლატორში, MnBi₂Te₄. აქსიონი ჰიპოთეზური ელემენტარული ნაწილაკია, რომელსაც დიდი ხანია განიხილავენ მაღალი ენერგიის ფიზიკაში ძლიერი-CP პრობლემის გადასაწყვეტად და პარალელურად კოსმოლოგიაში ფარული მატერიის ასახსნელად. მიუხედავად მრავალი მცდელობისა ეს ნაწილაკი დღემდე არ არის დაფიქსირებული. ძვირადღირებული ამაჩქარებლების და კოსმოსური დაკვირვებების ნაცვლად, აქსიონის მაგვარი ფენომენების შესწავლისთვის, ახალ კვლევაში გამოყენებული იქნა სპეციალური ტიპის ნახევარგამტარი.

კვლევის ცენტრალურ ასპექტს წარმოადგენს იდეა, რომ ზოგიერთ ნივთიერებაში შესაძლებელია არსებობდეს დინამიური ველი, რომელიც ანალოგიურია ნაწილაკების ფიზიკაშია ნავარაუდევ ე.წ. θ ველთან. კონდენსირებული გარემოში აქამდე θ-ველი განიხილებოდა როგორც სტატიკური, კვანტური პარამეტრი, რომელიც იზოლატორების ტოპოლოგიურ თვისებებს აღწერდა. აღმოჩნდა, რომ θ-ველი შეიძლება ოსცილირებდეს, რაც წარმოქმნის ე.წ. დინამიკურ აქსიონურ კვაზინაწილაკს (DAQ). ეს კი ხსნის ახალ შესაძლებლობებს როგორც ექსპერიმენტული ისე თეორიული კუთხით.

DAQ წარმოიქმნება კოლექტიური აღგზნების სახით ტოპოლოგიურ მაგნიტურ მასალებში, სადაც θ-ველი განიცდის დროით მოდულაციას ანტი-ფერომაგნიტური სპინური დინამიკის მეშვეობით. ფენოვან ვან-დერ-ვალსის ანტი-ფერომაგნიტში MnBi₂Te₄, ულტრა-სწრაფი სპექტროსკოპიისა და რთული ორგანზომილებიანი ელექტრონული მოწყობილობების საშუალებით, მკვლევარებმა დააფიქსირეს θ-ველის ოსცილაციები დაახლოებით 44 გიგაჰერცზე. ეს სიხშირე შეესაბამება ანტი-ფაზურ ანტი-ფერომაგნიტურ მაგნონს - უნიკალურ სპინურ ტალღურ აღგზნებას, რომელიც უკავშირდება ბერის ფაზას, ელექტრონულ ტალღურ ფუნქციათა გეომეტრიულ მახასიათებელს, რომელიც არსებითია ტოპოლოგიური ფენომენებისთვის.

ეს θ ოსცილაციები არა მხოლოდ DAQ-ის დამახასიათებელი თვისებაა, არამედ ფუნდამენტურად ცვლის MnBi₂Te₄-ის ელექტროდინამიკას, აერთიანებს ტოპოლოგიური იზოლატორების ფიზიკას ანტი-ფერომაგნიტურ სპინტრონიკასთან. მაგნონებსა და ტოპოლოგიურ ინვარიანტებს შორის ურთიერთქმედება წარმოშობს ბერის სიმრუდის ისეთ მოდულაციას, რაც აქამდე არ დაფიქსირებულა ორგანზომილებიან მასალებში. სწორედ ეს მოდულაცია წარმოადგენს DAQ-ის ფიზიკურ საფუძველს და ცხადყოფს, რომ მაგნიტური მასალებს ძალუძთ შექმნან აქსიონის მაგვარი კვაზინაწილაკები, რითაც აქსიონების კვლევის არე კოსმოსიდან კვანტურ მასალებამდე ფართოვდება.

თეორიულ მნიშვნელობასთან ერთად, აღმოჩენა უკიდურესად პერსპექტიულია ტექნოლოგიური გამოყენების თვალსაზრისით. დინამიურმა აქსიონურმა კვაზინაწილაკმა შესაძლოა წარმოშვას ე.წ. აქსიონური პოლარიტონები - შერეული სინათლე-მატერია აღგზნებები, რომლებიც მოდის DAQ-სა და ფოტონებს შორის ძლიერად ურთიერთქმედი რეჟიმებიდან. ამ პოლარიტონებს შეუძლიათ ელექტრომაგნიტური პასუხების უპრეცედენტოდ სწრაფ და ზუსტ კონტროლამდე მიგვიყვანოს, რაც რადიკალურად შეცვლის სპინზე დაფუძნებულ ინფორმაციის დამუშავების მიდგომებს. ელექტრული კონტროლი ულტრასწრაფ სპინურ პოლარიზაციაზე ხსნის გზას ახალი თაობის ანტი-ფერომაგნიტური სპინტრონული მოწყობილობებისკენ, რომლებიც ფუნქციურად და სისწრაფით აჭარბებენ ფერომაგნიტულ ანალოგებს.

გარდა ამისა, კვლევა ამყარებს თეორიულ მოსაზრებებს, რომ მყარ სხეულებში არსებული დინამიური აქსიონური ველები შეიძლება აღვიქვათ ნაწილაკების ფიზიკის აქსიონების ანალოგებად და ამით მივიღოთ უნიკალური ექსპერიმენტული პლატფორმები აქსიონის ფიზიკის შესასწავლად ლაბორატორიულ პირობებში. კვლევა, რომელიც გვიჩვენებს მაგნიტურ დინამიკასა და ტოპოლოგიურ ინვარიანტებს შორის კვანტურ-მექანიკური კავშირს, ახალ პერსპექტივებს ხსნის კონდენსირებული გარემოს გამოყენებით ფუნდამენტური ფიზიკის კვლევაში ისეთი სფეროებისთვის, რომლებიც ადრე მხოლოდ ამაჩქარებლებსა და ასტროფიზიკურ დაკვირვებებს ემყარებოდა.

საინტერესოა, რომ DAQ MnBi₂Te₄-ში არა მხოლოდ ამდიდრებს ჩვენს წარმოდგენას ტოპოლოგიურ მასალებზე, არამედ შესაძლოა მნიშვნელოვანი წვლილიც შეიტანოს ფარული მატერიის აღმოჩენაში. კვლევაში განხილული მილი-ელექტრონვოლტების ენერგეტიკული დიაპაზონი კარგად ემთხვევა იმ მასის შუალედს, რაც აქსიონურ ფარულ მატერიას მიეწერება - ნაწილაკს, რომელიც ათწლეულების ძებნის შემდეგაც კი რჩება მიუწვდომლად. DAQ-ის თანმიმდევრული კონტროლისა და დაფიქსირების უნარი მიუთითებს, რომ სპეციალურად დაპროექტებული აქსიონური ტოპოლოგიური ანტი-ფერომაგნიტები შესაძლოა გახდნენ მძლავრი კვანტური დეტექტორები, რომლებიც მნიშვნელოვნად გააძლიერებენ კოსმოსური აქსიონების მიერ წარმოქმნილ სუსტ სიგნალებს.

MnBi₂Te₄-ში DAQ მოდების აღმოჩენამ უნდა უბიძგოს მეცნიერებს შეისწავლონ ჰეტერო-სტრუქტურები და მრავალ-კომპონენტიანი სისტემები, სადაც აქსიონური კვაზინაწილაკების და სხვა კოლექტიური აღგზნებების ურთიერთქმედებამ შესაძლოა წარმოშვას ეგზოტიკური ფენომენები — როგორიცაა არაწრფივი ოპტიკური ეფექტები, რეგულირებადი ტოპოლოგიური ფაზური გადასვლები და მაკროსკოპული კვანტური მდგომარეობები, რომლებიც კონტროლდება ელექტრულად ან მაგნიტურად. DAQ-ზე დაფუძნებული კომპონენტების ჩართვა კვანტურ საინფორმაციო ტექნოლოგიებში ხსნის გზას მყარი ტოპოლოგიური კუბიტებისკენ, რომლებსაც დეკოჰერენციისადმი წინააღმდეგობის უნარი ექნებათ.

წყარო:
https://www.natur...25-08862-x
https://www.scien...135342.htm