Физик Лу Ли из Мичиганского университета вместе с международной командой исследователей обнаружил крайне необычное квантовое явление в материалах, которые, по идее, не должны проводить ток. Хотя прямое практическое применение открытия пока неочевидно, учёные называют его «по-настоящему странным и захватывающим». Работа, поддержанная Национальным научным фондом и Министерством энергетики США, проливает свет на фундаментальные загадки поведения материи.
Исследование сосредоточено на феномене «квантовых осцилляций». Раньше считалось, что это свойство металлов: их электроны под действием магнитного поля ведут себя как крошечные вибрирующие пружинки. Однако недавно такие же колебания были зафиксированы в изоляторах — материалах, которые не проводят ни электричество, ни тепло. Это породило жаркие споры в научном сообществе: возникает ли эффект только на поверхности материала или глубоко внутри него?
Чтобы разрешить эту загадку, команда использовала самые мощные в мире магниты в Национальной лаборатории сильных магнитных полей. Эксперименты с соединением иттербия и бора (YbB12) в поле силой 35 Тесла дали однозначный ответ: квантовые осцилляции — это не поверхностный эффект. Они рождаются в объёме самого изолятора, то есть являются его внутренним, «врождённым» свойством. Иттербий, редкоземельный металл, используемый в этом эксперименте, также широко применяется в лазерных технологиях, атомных часах и как легирующая добавка в сталях. Для создания таких экстремальных магнитных полей в десятки тесла учёные использовали сверхпроводящие или импульсные магниты. Эти мощные поля необходимы, чтобы управлять поведением электронов и раскрывать тонкие квантовые эффекты, которые иначе остались бы незамеченными, что важно для развития квантовых технологий и электроники.
«Годами мы искали ответ на фундаментальный вопрос: что является носителем этого эффекта в экзотическом изоляторе — поверхность или объём? — говорит научный сотрудник Куан-Вэнь Чен. — Мы рады, что смогли предоставить чёткие доказательства его объёмной и внутренней природы». В проекте, ставшем примером глобального сотрудничества, участвовали более десятка учёных из шести институтов США и Японии.
Лу Ли описывает открытие как часть «новой двойственности» в физике. Если столетие назад учёные осознали, что свет и материя могут быть и волной, и частицей (что привело к созданию солнечных батарей), то теперь речь идёт о материалах, которые могут быть одновременно и проводниками, и изоляторами. «Наивная картина, где мы представляли себе только поверхность с хорошей проводимостью для электроники, оказалась совершенно неверной, — объясняет Ли. — Весь объём соединения ведёт себя как металл, хотя это изолятор».
Хотя такое «металлоподобное» поведение проявляется лишь в экстремальных магнитных полях, оно ставит перед наукой глубокие новые вопросы о квантовой природе материалов. «Мы пока не знаем, какие именно нейтральные частицы ответственны за это наблюдение, — отмечает аспирант Юань Чжу. — Мы надеемся, что наши выводы вдохновят на дальнейшие эксперименты и теоретическую работу». Открытие, поддержанное рядом фондов в США и Японии, бросает вызов прежним представлениям и указывает на более сложную квантовую реальность.
Источник: “Really bizarre” quantum discovery defies the rules of physics