Ученые открыли новое квантовое состояние материи, ранее считавшееся невозможным

Фото из открытых источников

В материале, где физики считали это невозможным, появилось квантовое состояние материи, что заставило переосмыслить условия, определяющие поведение электронов в некоторых материалах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Это открытие, сделанное международной группой исследователей, может способствовать развитию квантовых вычислений, повышению эффективности электроники, а также усовершенствованию методов зондирования и визуализации.

Теоретически предполагалось, что это состояние, описываемое как топологическая полуметаллическая фаза, появится при низких температурах в материале, состоящем из церия, рутения и олова (CeRu₄Sn₆), прежде чем эксперименты подтвердили его существование.

При чрезвычайно низких температурах CeRu₄Sn₆ достигает квантовой критичности — точки, в которой материал находится в состоянии равновесия между изменениями фазы, когда условия настолько холодные, что преобладают квантовые флуктуации, фактически превращая материал из тумана частиц в лужу волн.

Неожиданный поворот в этом исследовании заключается в том, что квантовая критичность может приводить к состояниям, которые, как считалось, определяются взаимодействием между частицами, например, поведением электронов как дискретных носителей заряда.

«Это фундаментальный шаг вперед», — говорит физик Цимяо Си из Университета Райса в США. «Наша работа показывает, что мощные квантовые эффекты могут объединяться, создавая нечто совершенно новое, что может помочь сформировать будущее квантовой науки».

В физике топология относится к геометрии материальных структур. Определенные топологические состояния могут защищать свойства частиц, в отличие от того, как соседние частицы могут сталкиваться и нарушать поведение друг друга.

Для понимания топологических состояний обычно требуется объединить свойства в карты, подобные картам частиц, чего, как считается, материал не обладает в условиях квантовой критичности.

Квантовая критичность и топология полезны в материалах по разным причинам. Их сочетание может привести к созданию нового класса материалов с высокой чувствительностью к квантовым воздействиям и надежной стабильностью.

Когда исследователи охладили CeRu 4 Sn 6 почти до абсолютного нуля и приложили электрический заряд, они наблюдали явление, известное как эффект Холла, в электронах, несущих ток через материал. По сути, ток изгибался вбок.

По мнению исследователей, это был явный признак топологических эффектов. Эффект Холла обычно требует наличия магнитного поля для отклонения электронов, но в данном случае магнитного поля не было. Вместо этого путь тока формировался чем-то, присущим самому материалу.

«Это было ключевое открытие, позволившее нам неопровержимо доказать необходимость пересмотра существующей точки зрения», — говорит физик Сильке Бюлер-Пашен из Венского технического университета.

Более того, учёные обнаружили, что там, где материал был наиболее нестабилен с точки зрения его электронных структур, топологический эффект был наиболее сильным; квантовые критические флуктуации фактически стабилизировали вновь обнаруженную фазу.

Предстоит еще много работы. Исследователи хотят выяснить, можно ли обнаружить это квантовое состояние в других материалах, чтобы установить, насколько оно распространено.

Они также хотят внимательнее изучить наблюдаемую здесь топологию и точные условия, необходимые для того, чтобы она стала возможной.

«Полученные результаты восполняют пробел в физике конденсированных сред, демонстрируя, что сильные электронные взаимодействия могут приводить к возникновению топологических состояний, а не разрушать их», — говорит Си. «Кроме того, они выявляют новое квантовое состояние, имеющее существенное практическое значение».

«Знание того, что именно нужно искать, позволяет нам более систематически изучать это явление», — добавляет он. «Это не просто теоретическое открытие, это шаг к разработке реальных технологий, использующих глубочайшие принципы квантовой физики».