Відкрито новий стан матерії, що ламає правила електронів

Новий топологічний напівметал може відкрити шлях до проривів у квантових обчисленнях, сенсорах і матеріалах майбутнього.

Вчені виявили раніше немислимий стан речовини, який кидає виклик усталеним уявленням про поведінку електронів і відкриває нові перспективи для квантових технологій.

Відкриття здійснили дослідники з Віденського технічного університету у співпраці з теоретиками Університету Райса. Вони показали, що топологічні стани можуть виникати навіть тоді, коли електрони не поводяться як чітко визначені частинки. «Топологія» — це розділ математики, що описує властивості, стійкі до безперервних деформацій, і саме ці властивості роблять матеріали винятково стабільними. Донедавна вважалося, що така стабільність можлива лише за класичної частинкової поведінки електронів.

Експерименти проводилися на сполуці церію, рутенію та олова CeRu?Sn?. Матеріал досліджували при температурах, близьких до абсолютного нуля. «Матеріал коливається між двома квантовими станами, ніби не може визначитися», — пояснює Діана Кіршбаум. «Квантова критичність» — це стан, у якому система постійно флуктуює між фазами, руйнуючи класичне уявлення про квазічастинки.

За цих умов було зафіксовано аномальний ефект Холла без зовнішнього магнітного поля. Це стало прямим доказом топологічної природи стану. «Топологічний сигнал був найсильнішим саме там, де квантові флуктуації досягали максимуму», зазначає Кіршбаум. При пригніченні флуктуацій тиском або полем ефект зникав.

Професорка Сілке Бюлер-Пашен наголошує на фундаментальності результату. «Для виникнення топологічних властивостей модель частинок більше не є обов’язковою», зазначає вона. Топологічні відмінності можуть існувати у більш абстрактній математичній формі, незалежній від класичної електронної динаміки. Новий стан отримав назву «емерджентний топологічний напівметал».

Теоретичне обґрунтування надали дослідники з Університету Райса. «Квантова критичність сама здатна породжувати топологічну поведінку», пояснює Лей Чен. Це відкриття формує практичну стратегію пошуку нових матеріалів. Результати відкривають шлях до створення сенсорів, квантових обчислювачів і матеріалів нового покоління.