Международная группа физиков обнаружила новое квантовое состояние материи в материале, где, согласно существующим представлениям, оно не могло возникнуть. Речь идет о так называемой топологической полуметаллической фазе, зафиксированной в соединении церия, рутения и олова CeRu₄Sn₆. Работа опубликована в журнале Nature Physics.
Ранее считалось, что в условиях квантовой критичности — особого состояния при температурах, близких к абсолютному нулю, — топологические эффекты не могут сохраняться. В таких условиях вещество находится на границе фазового перехода, а поведение электронов определяется не частицами, а коллективными квантовыми флуктуациями, напоминающими «море волн». Именно поэтому топология, которая обычно опирается на устойчивые электронные состояния, считалась с этим режимом несовместимой.
Однако эксперименты показали обратное. При охлаждении CeRu₄Sn₆ почти до нуля и пропускании через него электрического тока ученые зафиксировали аномальный эффект Холла — отклонение электронного потока в сторону без внешнего магнитного поля. Такой эффект является прямым признаком топологической природы электронного состояния и указывает на то, что траектории электронов формируются внутренней геометрией квантового состояния материала.
По словам физика Кимиао Си из Университета Райса, явление демонстрирует, что сильные квантовые флуктуации не разрушают топологические состояния, а, напротив, могут способствовать их формированию и стабилизации. Более того, максимальный топологический эффект наблюдался именно там, где квантовая нестабильность электронов была наиболее выраженной.
Открытие имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Сочетание квантовой критичности и топологии может привести к созданию нового класса материалов с высокой чувствительностью к внешним воздействиям и при этом устойчивыми квантовыми свойствами. Такие материалы потенциально востребованы в квантовых вычислениях, высокоточной сенсорике и новых электронных устройствах с минимальными энергетическими потерями.
Теперь исследователи намерены выяснить, является ли обнаруженное состояние уникальным для CeRu₄Sn₆ или может возникать и в других материалах. Это позволит понять, насколько универсален новый квантовый механизм и как его можно использовать в будущих технологиях, основанных на самых глубоких принципах квантовой физики.
Ранее ученые впервые применили квантовую «алхимию».