Необычный материал имеет скрытое квантовое состояние без зеркального отражения

Фото из открытых источников

Симметрия очень важна в природе, поскольку она лежит в основе законов сохранения. Поэтому, когда симметрия нарушается, всегда можно обнаружить что-то захватывающее. Исследователи теперь используют новую технику микроскопии, чтобы изучить, как нарушается симметрия в особом материале, о котором ранее не было известно, что он обладает такими свойствами. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Это особое нарушение симметрии известно как хиральность, которая часто понимается в терминах хиральности. Это означает, что хиральный объект выглядит иначе, чем его зеркальное отражение; точно так же, как вы не можете поменять местами левую и правую руку, хиральные объекты (от молекул до раковин улиток и т. д.) также не могут быть поменяны местами.

Команда, стоящая за новым исследованием, работала с материалом из калия, ванадия и сурьмы (KV₃Sb₅), который организован как решетка Кагоме. Этот материал не является хиральным, но есть подозрение, что можно создать хиральное квантовое состояние, если через него пройдет волна плотности заряда. И действительно, они обнаружили этот эффект.

«Наши измерения напрямую выявляют нарушенную инверсию и зеркальную симметрию и проливают свет на топологическую природу этого квантового материала, который демонстрирует зарядовый порядок», — говорится в заявлении соавтора Цзы-Цзя Ченга из Принстонского университета. «Это впервые окончательно устанавливает внутреннюю хиральную природу зарядово-упорядоченного состояния в топологическом материале».

То, что они это обнаружили, очень интересно, но исследователи понятия не имеют, что на самом деле вызывает эту хиральность.

«Мы подтвердили явление, но у нас пока нет строгой теории, почему оно происходит», — добавил руководитель группы профессор М. Захид Хасан. «Мы до сих пор не до конца его понимаем».

Пока команда выясняет его происхождение, они также думают о потенциальных применениях, таких как квантовые датчики, основанные на магнетизме и свете.

«Удивительно, что возникающее хиральное состояние может генерировать столь выраженный отклик, о котором никогда ранее не сообщалось», — сказал Хасан. «Эта работа также показывает, что электромагнитные измерения второго порядка являются мощным инструментом для обнаружения тонких нарушений симметрии в топологических материалах».

Команда обнаружила некоторые косвенные доказательства формирования хиральности в этом материале еще в 2021 году. Но для фактического изучения материала и его свойств в деталях требовался лучший микроскоп. На этот раз они использовали сканирующий фототоковый микроскоп (SPCM), который они сравнили с JWST, но для квантового мира.

«Мы наконец-то смогли разрешить тонкие квантовые эффекты, которые оставались скрытыми в топологическом квантовом материале», — сказал Хасан. «Это только начало. С этими чувствительными инструментами, кто знает, какие скрытые миры топологической квантовой материи мы раскроем в следующий раз».

Мир, в котором мы живем, асимметричен, поэтому понимание того, как нарушается симметрия, является ключом к тому, как возникает реальность, какой мы ее воспринимаем. Это также может быть полезно в таких захватывающих концепциях, как сверхпроводимость, с различными техническими приложениями.