Электроны демонстрируют необычное поведение в новом квантовом состоянии при экстремально низких температурах

Новости МирТесен

Международная группа исследователей сделала открытие, которое ставит под сомнение базовые представления о поведении электронов. Специалисты из Венского технологического университета (TU Wien) и Университета Райса (штат Техас) провели эксперимент, в ходе которого зафиксировали топологическое состояние в веществе при температурах, приближающихся к абсолютному нулю. В этих условиях электроны перестают проявлять себя как независимые частицы. Данное явление, названное «эмергентный топологический полуметалл», может привести к прорывам в создании квантовых компьютеров, датчиков и новых материалов.

Исследователи проводили изучение соединения церия, рутения и олова (CeRu₄Sn₆) при температуре, лишь на единицу градуса превышающей абсолютный ноль. В данных экстремальных условиях материал переходит в состояние квантовой критичности, характеризующееся интенсивными флуктуациями между различными квантовыми состояниями, и традиционная модель квазичастиц перестаёт быть эффективной для описания электронов. Тем не менее, удалось зарегистрировать выраженный топологический сигнал, известный как аномальный эффект Холла. Данный эффект, обычно наблюдаемый под воздействием внешнего магнитного поля, проявился самопроизвольно, что служит важным подтверждением топологических свойств материала.

Несмотря на кажущуюся противоречивость, наиболее выраженный эффект был зафиксирован в области, где происходят максимальные квантовые колебания. По словам Дианы Киршбаум, ведущего автора исследования из TU Wien, устранение этих колебаний посредством давления или магнитного поля приводит к потере топологических характеристик. Это свидетельствует о непосредственной взаимосвязи между квантовой критичностью и топологией. Профессор физики TU Wien Зилке Бюлер-Пашен подчеркнула, что полученные результаты стали неожиданностью и демонстрируют, что для формирования топологических свойств не требуется представление об отдельных частицах. Топологические особенности могут проявляться посредством более абстрактных, математических принципов.

Теоретическое обоснование открытия было создано в сотрудничестве с Университетом Райса. Исследователь Лей Чэнь предложил новую модель, устанавливающую связь между квантовой критичностью и топологией в системах с выраженными взаимодействиями. Как отметил профессор Университета Райса Кимиао Си, объединение этих двух областей физики открыло новые возможности для исследований. Открытие предлагает конкретный подход к поиску перспективных топологических материалов, поскольку экспериментальное выявление квантово-критического поведения достаточно просто осуществить во многих типах соединений. Это значительный прогресс на пути к разработке практических технологий, основанных на фундаментальных принципах квантовой физики.

Результаты исследования в авторитетном научном журнале Nature Physics.