В квантовой физике электроны и другие частицы ведут себя не как твёрдые шарики, а как волны, что делает их положение неопределённым. Тем не менее, для описания множества явлений, от электрического тока до сложных теорий топологических состояний материи, учёные успешно используют упрощённую «частичную» картину. В этой модели электроны рассматриваются как маленькие объекты с определённой скоростью и энергией, что позволяет объяснять многие процессы, включая те, за открытие которых была присуждена Нобелевская премия по физике 2016 года.
Однако эта картина работает не всегда. Существуют экзотические материалы, где из-за сильного взаимодействия между электронами они перестают вести себя как отдельные частицы. Исследователи из Венского технического университета (TU Wien) изучали именно такое соединение — CeRu₄Sn₆ — при температурах, близких к абсолютному нулю. В этом состоянии материал демонстрирует так называемое квантово-критическое поведение, постоянно флуктуируя между разными состояниями. Это состояние материи в точке квантового фазового перехода, где квантовые флуктуации доминируют, приводя к необычным свойствам, и наблюдается оно не только в твёрдых телах, но и в ультрахолодных атомных газах или даже теоретически в нейтронных звёздах. Ранее считалось, что такие флуктуации полностью разрушают «частичную» картину.
Парадоксально, но теоретические расчёты предсказывали, что этот же материал должен обладать топологическими свойствами — особыми геометрическими характеристиками, которые делают состояния материи стабильными и перспективными для квантовых технологий. Раньше считалось, что для существования топологии необходимы чётко определённые частицы. Это создавало явное противоречие: как топология может существовать там, где нет самих частиц? Учёные решили проверить это экспериментально.
Исследовательница Диана Киршбаум начала поиск признаков топологии в квантово-критическом материале. К всеобщему удивлению, при температуре менее одного градуса выше абсолютного нуля был обнаружен ясный сигнал — спонтанный эффект Холла, возникающий без какого-либо внешнего магнитного поля. Этот эффект является прямым следствием топологических свойств. Самое удивительное, что он проявлялся сильнее всего именно в области максимальных квантовых флуктуаций, где картина частиц должна была полностью разрушиться.
Это открытие стало ключевым прорывом. Оно показало, что топологические состояния материи гораздо более универсальны, чем считалось ранее. Они не привязаны к описанию в терминах отдельных частиц и могут возникать даже в системах, где такое описание не работает. Профессор Зилке Бюлер-Пашен назвала это главным insight исследования, требующим пересмотра прежних взглядов.
Для объяснения феномена коллеги из Университета Райса разработали теоретическую модель, связавшую квантовую критичность с топологией. Новое состояние было описано как «возникающий топологический полуметалл». Это открытие имеет большое практическое значение: оно указывает на новый путь поиска топологических материалов — среди квантово-критических систем. Такой подход может привести к открытию целых классов новых «возникающих» топологических материалов, что расширит возможности для создания устройств квантового хранения данных и сверхчувствительных сенсоров. Помимо этого, топологические материалы уже лежат в основе прототипов квантовых компьютеров, топологических лазеров, высокоточных датчиков магнитного поля и перспективных спинтронных элементов для обработки информации.
Источник: Electrons stop acting like particles—and physics still works