Физики открыли новое квантовое состояние материи в неожиданных материалах

Международная команда ученых сделала знаменательное открытие, выявив новое квантовое состояние в материале, где согласно традиционным теориям оно не могло бы существовать. Это состояние известно как топологическая полуметаллическая фаза и обнаружено в соединении церия, рутения и олова CeRu₄Sn₆. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.


Существовавшие до сегодняшнего дня представления утверждали, что при условиях квантовой критичности — специфическом состоянии, возникающем при температурах, близких к абсолютному нулю, топологические эффекты не могут сохраняться. В данной ситуации вещество находится на грани фазового перехода, а поведение электронов определяется коллективными квантовыми флуктуациями, напоминающими волны. Поэтому было принято считать, что топология, основанная на устойчивых электронных состояниях, не может проявляться в этом режиме.

Однако проведенные эксперименты противоречат этому мнению. Ученые охладили CeRu₄Sn₆ до крайне низких температур и пропустили через него электрический ток. В результате был зафиксирован аномальный эффект Холла — отклонение потока электронов в отсутствие внешнего магнитного поля. Этот эффект является явным признаком топологической природы состояния электронов и свидетельствует о том, что траектории электронов формируются внутренней геометрией квантового состояния материала.

Как отметил физик Кимиао Си из Университета Райса, это явление показывает, что интенсивные квантовые флуктуации не только не разрушают топологические состояния, но и могут способствовать их образованию и поддержанию. Причем наибольший топологический эффект был заметен в тех областях, где нестабильность электронов проявлялась наиболее ярко.

Это открытие имеет большое значение как для теории, так и для практического применения. Совмещение квантовой критичности и топологии может привести к созданию нового класса материалов, чувствительных к внешнему воздействию и при этом обладающих устойчивыми квантовыми свойствами. Такие материалы могут быть полезны для квантовых вычислений, высокоточной сенсорики и новых электронных устройств с минимальными потерями энергии.

Теперь исследователи планируют разобраться, является ли найденное состояние уникальным для CeRu₄Sn₆ или может возникать и в других материалах. Это поможет понять, насколько универсален новый квантовый механизм и как его можно использовать в будущем, опираясь на основные принципы квантовой физики. В предыдущих исследованиях ученые уже исследовали возможности применения квантовой «алхимии».

Читайте также: