Как появилось состояние, которое считали невозможным?
Исследователи сообщили об обнаружении нового квантового состояния материи в соединении из церия, рутения и олова с химической формулой CeRu4Sn6. Речь идет о так называемой топологической полуметаллической фазе – состояние, в котором электронные свойства материала определяются не только химическим составом, но и топологией его электронной структуры, пишет ScienceAlert.
Смотрите также Конец света откладывается: ученые оправдываются за ложный прогноз об апокалипсисе
Теоретически существование такой фазы в CeRu4Sn6 прогнозировали и раньше, но экспериментально ее долго не удавалось подтвердить, поэтому считалось, что теории являются ложными. Главная причина скепсиса заключалась в том, что при сверхнизких температурах этот материал достигает режима квантовой критичности. В таком состоянии система находится на границе между разными фазами, а квантовые флуктуации настолько сильны, что классическое представление об электронах как отдельных частицах перестает работать.
Именно здесь и возникла неожиданность. Согласно традиционным моделям, топологические состояния требуют относительно стабильной электронной картины, тогда как квантовая критичность, наоборот, все "размывает". Однако эксперименты показали обратное.
Когда CeRu4Sn6 охладили до температур, близких к абсолютному нулю, и пропустили через него электрический ток, физики зафиксировали аномальный эффект Холла. Ток отклонялся в сторону без всякого внешнего магнитного поля. Это четкий сигнал того, что на электроны влияет внутренняя топологическая структура материала, а не классические силы, говорится в основной научной статье, опубликованной на Nature.
Некоторые из целой команды ученых, участвовавших в исследовании / Венский технический университет
По словам Кимиао Си из Университета Райса, это открытие демонстрирует, что мощные квантовые эффекты могут не уничтожать топологические состояния, а наоборот – способствовать их формированию. Еще интереснее то, что наибольшая топологическая стабильность наблюдалась именно в участках, где электронная система была наиболее неустойчивой. Другими словами, квантовые флуктуации не мешали, а помогали удерживать новую фазу.
Сильке Бюлер-Пашен из Венского технического университета отмечает, что этот результат заставляет пересмотреть представления о том, как работает физика конденсированных сред. Ранее считалось, что сильные взаимодействия между электронами разрушают топологические эффекты, но теперь стало понятно, что они могут быть источником принципиально новых квантовых состояний.
Какая нам из этого польза?
Практическое значение открытия выходит далеко за пределы теории. Сочетание квантовой критичности и топологии может привести к созданию нового класса материалов, которые одновременно являются сверхчувствительными к внешним воздействиям и стабильными в своих квантовых свойствах, отмечает коллектив ученых в статье на сайте Университета Райса. Это важно для квантовых вычислений, высокоточной сенсорики и перспективной электроники будущего.
Сейчас ученые планируют проверить, возможно ли подобное квантовое состояние в других материалах, и выяснить, какие именно условия делают его универсальным. Это открывает путь к системному поиску веществ, работающих по новым квантовым правилам.