Новые квантовые материалы могут улучшить поиск лёгкой тёмной материи в сотни раз
Физики определили три необычных квантовых материала, которые могут значительно повысить чувствительность будущих детекторов лёгкой тёмной материи. Расчёты показали, что диселенид титана, рутенат стронция и алмаз с дырочным легированием способны усиливать чрезвычайно слабые сигналы, возникающие при предполагаемом взаимодействии частиц тёмной материи с электронами. Для диселенида титана выигрыш в чувствительности при некоторых параметрах может достигать двух-трёх порядков, то есть в 100–1000 раз.
Тёмная материя, согласно современным космологическим моделям, составляет около 85% всей материи Вселенной. Она не излучает, не поглощает и не отражает свет, поэтому обнаружить её непосредственно пока не удалось. О её существовании судят по гравитационному влиянию на движение звёзд, галактик и крупномасштабную структуру Вселенной.
Особенно сложно искать относительно лёгкие частицы тёмной материи. При взаимодействии с обычным веществом они должны передавать электронам лишь очень небольшое количество энергии, поэтому традиционные материалы детекторов могут оказаться недостаточно чувствительными.
Йонит Хохберг и Ротем Овадия из Еврейского университета в Иерусалиме совместно с Дино Новко из Института физики в Загребе и Антонио Политано из Университета Л’Акуилы исследовали свойства трёх материалов — диселенида титана TiSe₂, рутената стронция Sr₂RuO₄ и алмаза с дырочным легированием.
Главное преимущество этих материалов связано с коллективными колебаниями электронов. В определённых условиях электроны в твёрдом теле могут двигаться согласованно, образуя возбуждения, называемые плазмонами. У выбранных исследователями материалов такие возбуждения возникают при сравнительно низких энергиях, близких к тем, которые могут передавать веществу лёгкие частицы тёмной материи.
В диселениде титана низкоэнергетический плазмон возникает в фазе волны зарядовой плотности при температуре ниже примерно 200 кельвинов. Рутенат стронция обладает необычной низкоэнергетической коллективной модой, связанной с противофазными колебаниями электронов в разных энергетических зонах. В легированном алмазе частоту оптических и акустических плазмонов можно изменять, регулируя степень легирования.
Исследователи провели квантово-механические расчёты из первых принципов на основе теории функционала плотности и определили, насколько эффективно каждый материал способен реагировать на возможное взаимодействие с тёмной материей. Рассматривались как рассеяние частиц тёмной материи на электронах, так и поглощение энергии при взаимодействии с веществом.
Расчёты показали, что сильный отклик этих материалов при низких энергиях позволяет исследовать области возможных масс и взаимодействий тёмной материи, которые трудно охватить с помощью ранее предложенных детекторных материалов. В некоторых режимах потенциальная чувствительность может превосходить существующие предложения на несколько порядков.
Ещё одним важным свойством стала направленная чувствительность. Электронный отклик кристаллов зависит от направления движения возбуждения относительно кристаллической решётки. Особенно выраженная анизотропия обнаружена у диселенида титана и рутената стронция.
Это свойство позволяет использовать вращение Земли как дополнительный способ проверки потенциального сигнала. Считается, что Солнечная система движется через окружающее Галактику гало тёмной материи, поэтому направление условного «потока» её частиц относительно лабораторного детектора должно изменяться в течение суток вместе с вращением Земли.
Если кристалл реагирует на частицы по-разному в зависимости от направления их движения, интенсивность возможного сигнала должна закономерно меняться в течение суток. Такая суточная модуляция может стать важным способом отличить взаимодействия тёмной материи от обычного радиоактивного, электронного или инструментального фона. Авторы получили сильную расчётную суточную модуляцию для исследованных материалов.
Предложенные вещества интересны и с практической точки зрения. Все три материала уже могут быть получены существующими методами, а диселенид титана особенно удобен для производства в сравнительно крупных количествах. Это позволяет рассматривать переход от теоретических расчётов к созданию экспериментальных детекторов.
Однако пока речь идёт именно о прогнозах, основанных на свойствах материалов и компьютерных расчётах. Учёные ещё не зарегистрировали взаимодействие тёмной материи с этими веществами и не продемонстрировали полноценный работающий детектор. Следующим шагом должно стать создание устройств, способных регистрировать чрезвычайно малые энергетические возбуждения, предсказанные моделированием.
Если расчёты подтвердятся экспериментально, квантовые материалы с низкоэнергетическими плазмонами могут открыть новый диапазон поиска тёмной материи с массами ниже мегаэлектронвольта и помочь проверить модели, которые пока остаются практически недоступными для традиционных детекторов.
Исследование в журнале Physical Review Letters.