Иллюстрация: N + 1; Leon Shaposhnikov et al. / Physical Review B. Физики из Университета ИТМО совместно с нобелевским лауреатом Франком Вильчеком провели численный расчет наиболее важных параметров метаматериала, магнитооптический отклик которого имитирует свойства гипотетических аксионов. Данное исследование, опубликованное в журнале Physical Review B, создает предпосылки для проведения экспериментов с эмерджентной аксионной электродинамикой. Термин «аксион» был впервые предложен Франком Вильчеком для обозначения частиц, которые могли бы разрешить проблемы нарушения CP-симметрии в квантовой хромодинамике. В настоящее время аксионы рассматриваются как одни из основных кандидатов на роль темной материи и являются объектом активных поисков как в рамках астрофизических наблюдений, так и в ходе наземных экспериментов.

Результаты одного из численных экспериментов с метаматериалом. Слева диполь помещен в оболочку из аксионов, справа — из метаматериала. Как показывают расчеты, электромагнитное поле, которое возникает в результате, одинаково в обоих случаях. Leon Shaposhnikov et al. / Physical Review B

Для любознательных

Представьте, что вы держите в руках не обычный предмет, а конструктор, где каждый элемент — тончайший слой особого вещества, уложенный в идеальную сферу. Снимаете один слой — и материал начинает вести себя иначе: по-другому отражает свет, меняет магнитные свойства, словно вы подкрутили невидимый регулятор. Это не фантастика, а реальная научная работа, которую ведут российские физики из Университета ИТМО в Санкт‑Петербурге — и она может помочь разгадать одну из главных загадок Вселенной: что такое тёмная материя.

Что такое метаматериал?

Слово «метаматериал» звучит как термин из научной фантастики, но смысл у него простой. Обычный материал — это то, из чего состоит природа: дерево, металл, вода. Его свойства определяются атомами и тем, как они устроены. Метаматериал — это искусственная конструкция, которую собирают как пазл: берут простые элементы и располагают их в особом порядке. В итоге получается нечто, у чего появляются необычные, порой даже «невозможные» свойства: например, способность скрывать предметы (прототипы «плащей-невидимок»), усиливать слабые сигналы или управлять светом с ювелирной точностью.

В нашем случае учёные работают с магнитооптическими веществами — материалами, которые одновременно реагируют и на свет, и на магнитное поле. Представьте стекло, которое не просто пропускает свет, а слегка «поворачивает» его, если рядом поднести магнит. Именно такие материалы и становятся кирпичиками для нового метаматериала.

Сферические слои: зачем складывать «матрёшку»

Главная идея команды ИТМО — собрать метаматериал в виде сферических слоёв, как матрёшку или луковицу: один шар внутри другого, каждый слой — из магнитооптического вещества. Такая структура не случайна: она позволяет управлять особым эффектом, который физики называют аксионным откликом.

Звучит сложно, но суть можно объяснить на примере музыкальной струны. Если вы дёргаете струну, она издаёт звук определённой высоты. Если натяжение меняется — меняется и звук. Аксионный отклик — это как «высота звука» материала: как он реагирует на внешние поля. В природе этот отклик очень слабый. Но в сферической слоистой конструкции его можно не только усилить (учёные показали, что в десять раз!), но и менять знак — сделать «отрицательным». Это как если бы вместо того, чтобы звучать, струна вдруг начала «заглушать» окружающий шум.

Зачем всё это нужно: охота на аксионы

Аксионы — это гипотетические частицы, одни из главных кандидатов на роль составляющих тёмной материи. Тёмная материя — это невидимая субстанция, которая, по расчётам астрономов, составляет большую часть массы Вселенной. Мы не видим её, не можем потрогать, но чувствуем её гравитацию: именно она не даёт галактикам разлететься. Аксионы могли бы быть её «кирпичиками», но поймать их напрямую почти невозможно: они крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом.

И тут на помощь приходит метаматериал. Физики предлагают хитрый трюк: не искать аксионы в космосе, а создать в лаборатории их «двойников» — особые волны и возбуждения внутри материала, которые ведут себя точно так же, как настоящие аксионы. Сферическая слоистая структура становится чем-то вроде «аквариумной модели» аксионной физики: в ней можно спокойно крутить ручки, менять параметры и смотреть, как всё работает. Это как изучать ураганы не в открытом океане, а в аэродинамической трубе — безопасно и под полным контролем.

Над этой идеей работали не только российские учёные: в числе соавторов — Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике. Это подчёркивает масштаб задачи: речь идёт не о локальной разработке, а о вкладе в мировую науку.

Теория и практика: от расчётов к реальным устройствам

На сегодня работа находится на стадии теоретических расчётов и компьютерного моделирования. Учёные доказали, что такая конструкция возможна и эффективна. Следующий шаг — создать реальный образец: вырастить или напылить эти сферические слои, проверить их в лаборатории. Это сложная инженерная задача: слои должны быть идеально ровными, одинаковой толщины, без дефектов. Но если всё получится, перед нами откроется целый спектр новых технологий.

Например, такие материалы могут стать основой для:

• Оптических изоляторов — устройств, которые пропускают свет только в одном направлении. Они нужны в лазерных системах и волоконно‑оптической связи, чтобы сигнал не отражался назад и не портил работу оборудования.
• Сверхчувствительных сенсоров, способных улавливать очень слабые магнитные или световые сигналы. Такие датчики пригодятся в медицине (например, для магнитоэнцефалографии — изучения активности мозга), в геологоразведке или в фундаментальных экспериментах.

• Новых типов модуляторов света — элементов, которые быстро меняют характеристики светового потока. Это важно для оптических компьютеров и сверхбыстрой передачи данных.

Почему это важно именно сейчас

Разработка метаматериалов — одно из самых динамичных направлений современной физики и инженерии. Здесь пересекаются оптика, магнетизм, нанотехнологии и даже космология. То, что российские учёные предлагают оригинальную концепцию именно со сферическими слоями, — это пример того, как фундаментальные идеи могут рождаться и развиваться в нашей стране, а затем становиться частью глобального научного поиска.

Возможно, через несколько лет мы увидим устройства, работающие на принципах, которые сегодня существуют только в расчётах. И кто знает — может быть, именно такой «конструктор из слоёв» поможет нам наконец приоткрыть завесу тайны над тёмной материей и узнать, из чего на самом деле состоит большая часть нашего мира