Ученые обнаружили новое квантовое состояние на стыке экзотических материалов

Фото из открытых источников

Ученые открыли новый способ существования материи, отличный от обычных состояний твердого тела, жидкости, газа или плазмы, — на границе двух экзотических материалов, объединенных в сэндвич.

По словам ученых, новое квантовое состояние, называемое квантовым жидким кристаллом, по-видимому, подчиняется своим собственным правилам и обладает характеристиками, которые могут проложить путь для передовых технологических приложений.

В статье, опубликованной в журнале Science Advances, группа исследователей под руководством Ратгерского университета описала эксперимент, посвященный взаимодействию проводящего материала, называемого полуметаллом Вейля, и изолирующего магнитного материала, известного как спиновый лед, при воздействии на них чрезвычайно сильного магнитного поля. Оба материала известны своими уникальными и сложными свойствами.

«Хотя каждый материал был тщательно изучен, их взаимодействие на этой границе оставалось совершенно неизученным», — сказал Цзун-Чи Ву. «Мы наблюдали новые квантовые фазы, возникающие только при взаимодействии этих двух материалов. Это создаёт новое квантовое топологическое состояние вещества в сильных магнитных полях, которое ранее было неизвестно».

Команда обнаружила, что на границе этих двух материалов электронные свойства полуметалла Вейля зависят от магнитных свойств спинового льда. Это взаимодействие приводит к очень редкому явлению, называемому «электронной анизотропией», при котором материал проводит электричество по-разному в разных направлениях. Они обнаружили, что в пределах окружности в 360 градусов проводимость минимальна в шести определённых направлениях. Удивительно, но при увеличении магнитного поля электроны внезапно начинают течь в двух противоположных направлениях.

Это открытие согласуется с характерной особенностью квантового явления, известного как нарушение вращательной симметрии, и указывает на возникновение новой квантовой фазы в сильных магнитных полях.

По словам Ву, эти результаты важны, поскольку открывают новые способы управления и манипулирования свойствами материалов. Понимая, как движутся электроны в этих особых материалах, учёные потенциально смогут разработать новые поколения сверхчувствительных квантовых датчиков магнитных полей, которые лучше всего работают в экстремальных условиях, например, в космосе или внутри мощных машин.

Полуметаллы Вейля — это материалы, которые позволяют электричеству течь необычным образом с очень высокой скоростью и нулевыми потерями энергии благодаря специальным релятивистским квазичастицам, называемым фермионами Вейля. Спиновый лёд, с другой стороны, — это магнитные материалы, в которых магнитные моменты (микроскопические магнитные поля внутри материала) расположены таким образом, что они напоминают расположение атомов водорода во льду. Сочетание этих двух материалов образует гетероструктуру, состоящую из атомных слоёв разнородных материалов.

Учёные обнаружили, что новые состояния вещества возникают в экстремальных условиях, включая очень низкие температуры, высокое давление или сильные магнитные поля, и ведут себя странным и захватывающим образом. По словам Ву, эксперименты, подобные эксперименту Ратгерского университета, могут привести к новому, фундаментальному пониманию материи, выходящему за рамки четырёх встречающихся в природе состояний.

«Это только начало», — сказал Ву. «Существует множество возможностей для исследования новых квантовых материалов и их взаимодействий при объединении в гетероструктуру. Мы надеемся, что наша работа также вдохновит физическое сообщество на исследование этих захватывающих новых горизонтов».