Ученые открыли новое квантовое состояние материи, которое когда-то считалось невозможным
Квантовое состояние материи появилось в материале, где физики считали это невозможным, что заставило переосмыслить условия, которые управляют поведением электронов в определенных материалах.
Открытие, сделанное международной группой исследователей, может способствовать развитию квантовых вычислений, повышению эффективности электроники, а также расширению восприятия и визуализации.
Состояние, описываемое как топологический полуметалл теоретически было предсказано появление при низких температурах в материале, состоящем из церия, рутения и олова (CeRu4Sn6), прежде чем эксперименты подтвердили его существование.
При чрезвычайно низких температурах CeRu4Sn6 достигает квантовой критичности, точки, в которой материал балансирует между изменениями своей фазы, когда условия настолько холодный, что доминируют квантовые флуктуации, фактически превращающие материал в лужу волн, а не в туман из частиц.
По теме: «Маленький Эйнштейн» из Бельгии получил докторскую степень по квантовой физике в 15 лет
Сюжет в этом исследовании заключается в том, что квантовая критичность может порождать состояния, которые, как считается, определяются взаимодействиями между частицами, например, поведением электронов как дискретного заряда. носителей.
«Это фундаментальный шаг вперед», — говорит физик Цимяо Си из Университета Райса в США.
«Наша работа показывает, что мощные квантовые эффекты могут объединиться, чтобы создать нечто совершенно новое, что может помочь сформировать будущее квантовой науки».
В физике топология относится к геометрии материальных структур. Определенные топологические состояния могут защищать свойства частиц, в отличие от того, как соседние частицы могут толкаться и нарушать поведение друг друга.
Понимание топологических состояний обычно требует объединения свойств в карты, подобные частицам, чего, как считается, материал не имеет в условиях квантовой критичности.
И квантовая критичность, и топология полезны в материалах по разным причинам. Их сочетание может привести к созданию нового класса материалов с высокой чувствительностью квантовых реакций и надежной стабильностью.
Когда исследователи охладили CeRu4Sn6 почти до абсолютного нуля и применили электрический заряд, они наблюдали явление, известное как эффект Холла, в электронах, переносящих ток через материал. По сути, ток отклонился в сторону.
По мнению исследователей, это был явный сигнал топологических эффектов. Эффект Холла обычно требует наличия магнитного поля для отклонения электронов, но в этом случае магнитное поле отсутствовало. Вместо этого путь тока определялся чем-то присущим материалу.
«Это было ключевое открытие, которое позволило нам продемонстрировать вне всякого сомнения, что преобладающая точка зрения должна быть пересмотрена», — говорит физик Силке Бюлер-Пашен из Венского технологического университета.
Более того, ученые обнаружили, что там, где материал наиболее нестабильен с точки зрения электронной структуры, именно там топологический эффект является самым сильным; квантовые критические флуктуации фактически стабилизировали недавно открытую фазу.
Предстоит еще много работы. Исследователи хотят посмотреть, можно ли обнаружить это квантовое состояние в других материалах, чтобы установить, насколько оно общее.
Они также хотят более внимательно изучить топологию, наблюдаемую здесь, и точные условия, необходимые для того, чтобы это стало возможным.
«Результаты устраняют пробел в физике конденсированного состояния, демонстрируя, что сильные электронные взаимодействия могут порождать топологические состояния, а не разрушать их», — говорит Си.
«Кроме того, они обнаруживают новое квантовое состояние, имеющее существенное практическое значение.
«Знание того, что искать, позволяет нам исследовать это явление более систематически», — добавляет он.
«Это не просто теоретическое открытие, это шаг к разработке реальных технологий, использующих глубочайшие принципы квантовой физики».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.
