Ученые впервые наблюдали состояние материи, которое ранее считалось невозможным.

Новости МирТесен

Исследователи подтвердили наличие топологических состояний материи в тех случаях, когда ранее это казалось невозможным из-за потери обычных характеристик частиц. Стало известно, что даже в условиях квантового хаоса могут самопроизвольно формироваться структуры, способные выдерживать внешние воздействия. Для этого потребовалось изменить базовое понимание топологии, отделив его от классического поведения электронов.

Квантовая физика уже давно показала, что частицы способны проявлять свойства волн. Однако во многих случаях физики все еще прибегают к классическому представлению об электронах как о частицах, движущихся через вещество. Этот подход оказался эффективным при описании электрического тока и даже послужил основой для теории топологических изоляторов, за открытие которых в 2016 году была присуждена Нобелевская премия. Топологические состояния обладают уникальной геометрической устойчивостью: их характеристики не подвержены влиянию незначительных искажений.

Тем не менее, выделяется специфический вид квантовых материалов, где классическое описание оказывается недействительным. В этих материалах взаимодействие между электронами настолько интенсивно, что они утрачивают обычные характеристики, присущие частицам: у них исчезают четко выраженные скорость и местоположение. Ранее предполагалось, что в подобных обстоятельствах топологические явления не могут проявляться.

Это распространенное мнение было опровергнуто группой ученых. Результаты их работы опубликовали в журнале Nature Physics.

Ученые проводили исследования сплава, состоящего из церия, рутения и олова (CeRu4Sn6). При охлаждении образца почти до абсолютного нуля он переходит в состояние, известное как квантовая критичность, и начинает непрерывные колебания между двумя различными состояниями. В таком состоянии электроны полностью утрачивают свои индивидуальные характеристики, формируя единую, пульсирующую квантовую среду.

Несмотря на все прогнозы, наиболее интенсивные колебания оказались связанными с внезапным и мощным эффектом Холла, зарегистрированным приборами. Как правило, данный эффект проявляется под воздействием внешнего магнитного поля, которое отклоняет электроны. Однако в данном случае внешнего магнита не было: электроны изменяли свою траекторию самостоятельно, следуя внутренней структуре материала. При этом, как только ученые снижали интенсивность квантовых флуктуаций посредством давления или магнитного поля, эффект прекращался.

Коллеги-физики из США предоставили теоретическое обоснование для проведения эксперимента, предложив модель, объясняющую этот феномен. Они продемонстрировали, что топологические структуры способны формироваться непосредственно из хаоса, свойственного квантовой критичности, даже при отсутствии обычных квазичастиц. Стабильные характеристики проявляются на более фундаментальном математическом уровне: симметрия системы обуславливает специфическое пересечение энергетических спектров, формируя структуру над квантовыми флуктуациями.

Исследования, проведенные физиками, демонстрируют инновационный подход к поиску необычных материалов. Сейчас известно, что квантовая критичность не препятствует, а стимулирует формирование топологических фаз. Это открытие может стать основой для разработки совершенно новой электроники, в которой управление током осуществляется не магнитными полями, а внутренней геометрией вещества, обладающей устойчивостью к помехам и дефектам.