Закони фізики треба переписати: виявлено квантовий стан матерії, який раніше вважався неможливим

Як з’явився стан, який вважали неможливим?

Дослідники повідомили про виявлення нового квантового стану матерії у сполуці з церію, рутенію та олова з хімічною формулою CeRu₄Sn₆. Йдеться про так звану топологічну напівметалеву фазу – стан, у якому електронні властивості матеріалу визначаються не лише хімічним складом, а й топологією його електронної структури, пише ScienceAlert.

Теоретично існування такої фази в CeRu₄Sn₆ прогнозували й раніше, але експериментально її довго не вдавалося підтвердити, тож вважалося, що теорії є хибними. Головна причина скепсису полягала в тому, що за наднизьких температур цей матеріал досягає режиму квантової критичності. У такому стані система перебуває на межі між різними фазами, а квантові флуктуації настільки сильні, що класичне уявлення про електрони як окремі частинки перестає працювати.

Саме тут і виникла несподіванка. Згідно з традиційними моделями, топологічні стани потребують відносно стабільної електронної картини, тоді як квантова критичність, навпаки, все "розмиває". Однак експерименти показали протилежне.

Коли CeRu₄Sn₆ охолодили до температур, близьких до абсолютного нуля, і пропустили через нього електричний струм, фізики зафіксували аномальний ефект Холла. Струм відхилявся вбік без жодного зовнішнього магнітного поля. Це чіткий сигнал того, що на електрони впливає внутрішня топологічна структура матеріалу, а не класичні сили, йдеться в основній науковій статті, опублікованій на Nature.

Деякі з цілої команди вчених, які брали участь у дослідженні / Віденський технічний університет

За словами Кіміао Сі з Університету Райса, це відкриття демонструє, що потужні квантові ефекти можуть не знищувати топологічні стани, а навпаки – сприяти їхньому формуванню. Ще цікавіше те, що найбільша топологічна стабільність спостерігалася саме в ділянках, де електронна система була найбільш нестійкою. Іншими словами, квантові флуктуації не заважали, а допомагали утримувати нову фазу.

Сільке Бюлер-Пашен з Віденського технічного університету зазначає, що цей результат змушує переглянути уявлення про те, як працює фізика конденсованих середовищ. Раніше вважалося, що сильні взаємодії між електронами руйнують топологічні ефекти, але тепер стало зрозуміло, що вони можуть бути джерелом принципово нових квантових станів.

Яка нам з цього користь?

Практичне значення відкриття виходить далеко за межі теорії. Поєднання квантової критичності та топології може привести до створення нового класу матеріалів, які одночасно є надчутливими до зовнішніх впливів і стабільними у своїх квантових властивостях, зазначає колектив учених в статті на сайті Університету Райса. Це важливо для квантових обчислень, високоточної сенсорики та перспективної електроніки майбутнього.

Наразі вчені планують перевірити, чи можливий подібний квантовий стан в інших матеріалах, і з’ясувати, які саме умови роблять його універсальним. Це відкриває шлях до системного пошуку речовин, що працюють за новими квантовими правилами.