Ученые выявили топологическое состояние в квантовом материале, которое не соответствует общепринятому определению. В связи с этим они полагают, что необходимо пересмотреть определения для топологических систем и начать поиск подобных состояний в других материалах.
В квантовой физике частицы обычно описываются как волны, и их местоположение в пространстве остается неопределённым. Однако даже в этой области науки исследователям нередко бывает полезно представлять частицы как дискретные, крошечные объекты, движущиеся между точками с заданной скоростью. Электрический ток в металлических проводниках находит хорошее объяснение в виде перемещения отдельных электронов, которые могут быть ускорены и сдвинуты под воздействием внешних полей.
В современных физических концепциях, включая те, что относятся к топологическим материалам, для описания свойств материала применяют модель, основанную на рассмотрении его частиц. Для этого класса веществ действуют специфические принципы, опирающиеся на математические и геометрические закономерности: поведение частиц определяется не локальными, а глобальными характеристиками.
Топологические характеристики демонстрируют высокую устойчивость к воздействиям извне и подчиняются определенным геометрическим правилам. С помощью топологии физики описывают закономерности связи между спином электрона и направлением его движения. Небольшие дефекты в материале не меняют эти свойства. Топологическая фаза материалов интересует физиков при изучении сверхпроводимости, квантовой запутанности и спиновых жидкостей. На них возлагают большие надежды и производители квантовых компьютеров.
Внутри этой группы встречаются работы, где использование частиц для описания приводит к потере смысла, и ученые лишены возможности представлять электроны как объекты, обладающие конкретным положением или определенной скоростью. В условиях экстремально низких температур и при достижении квантово-критического состояния электроны в этих материалах, по всей видимости, перестают проявлять свойства, характерные для частиц. Вместе с тем исчезают и свойства, присущие топологическим материалам.
Ученые из Венского технического университета (Австрия) продемонстрировали, что топологические эффекты могут возникать даже в подобных материалах. В своей работе физики изучали соединение, состоящее из церия, рутения и олова CeRu₄Sn₆ при темепературах в диапазоне 50 милликельвин — два кельвина. Статья опубликована в журнале Nature Physics.
Ученые исследовали CeRu₄Sn₆ теоретически. Расчеты показали, что в нем должны существовать топологические состояния, описываемые через частицы. Выбранный материал при этом демонстрировал квантово-критическое поведение, несовместимое с описанием через частицы.
Несоответствие между теоретическими предсказаниями и практическими результатами породило у ряда ученых опасения относительно целесообразности проведения дальнейших исследований. Однако, несмотря на это, стремление к познанию оказалось сильнее, и физики приступили к поиску эмпирических доказательств существования топологических состояний в данном материале.
При температурах, опускающихся ниже одного градуса Кельвина, ученые зафиксировали проявление топологических состояний: носители заряда начали отклоняться от прямолинейной траектории даже при отсутствии внешнего магнитного поля – это явление получило название аномального эффекта Холла. В стандартном же случае эффект Холла обусловлен воздействием магнитного поля на носители заряда.
«Наиболее выраженный топологический эффект наблюдается в тех областях материала, где происходят наиболее значительные колебания. Подавление этих колебаний посредством давления или магнитных полей приводит к исчезновению топологических свойств», — пояснила ведущий автор исследования Диана Кирхбаум ( Diana Kirschbaum).
Ученые полагают, что их открытие ознаменовало наступление времени переписать определение топологических состояний в более общих терминах. Команда называет новооткрытое состояние эмерджентным топологическим полуметаллом ( emergent topological semimetal). Вместе с теоретическими физиками им удалось создать новую теоретическую модель, которая позволяет объединить явления квантовой критичности и топологии.
«В ходе проведенного исследования было установлено, что для проявления топологических свойств не обязательно их детализированное описание посредством частиц. Данную идею можно расширить, и в этом случае топологические различия проявляются более общим, математическим методом. Кроме того, полученные экспериментальные данные указывают на возможность возникновения топологических свойств даже при отсутствии структур, напоминающих частицы», — заявила руководитель научной группы, профессор Зильке Бюлер-Пашен ( Silke Bühler-Paschen).
Данное открытие имеет значительную практическую ценность, так как оно демонстрирует перспективную методику для обнаружения топологических материалов. Физики ожидают найти топологические свойства у других квантово-критических материалов, что расширит возможности для исследований и практических применений.