Revolucionārs atklājums kvantu fizikas jomā apstrīd fundamentālos principus par matērijas stāvokļiem. Starptautiska pētnieku komanda, kurā ir sadarbības partneri no Austrijas un ASV, pirmo reizi ir pierādījusi, ka ir iespējams atrast topoloģiskas īpašības materiālā, kas atrodas kritiskā kvantu stāvoklī, kurā atsevišķas daļiņas vai kvazidaļiņas vairs nav skaidri definētas.
Pētnieki atklāj jaunu topoloģisko fāzi absolūtā nulles temperatūrā
Šis atklājums, kas publicēts prestižajā žurnālā Nature Physics, liek teorētiski pārdefinēt jēdzienu “topoloģiskā fāze” un paver jaunas iespējas materiālu ar eksotiskām īpašībām izstrādē.
Pētījums koncentrējās uz savienojumu CeRu₄Sn₆, kas klasificēts kā smago fermionu pusmetāls. Kad šis materiāls tiek atdzesēts līdz ārkārtīgi zemām temperatūrām, tuvu absolūtajam nulles punktam, tas nonāk kritiskā kvantu stāvoklī.
Šajā fāzē pārejas nosaka nevis temperatūra, bet gan tādi parametri kā spiediens vai magnētiskais lauks, un visvairāk pārsteidzošais ir tas, ka kvazidaļiņas, kas ir galvenās vienības, lai aprakstītu elektronu uzvedību cietvielās, pazūd.
Pētījumā tika risināts svarīgs jautājums par to, kā topoloģiskās īpašības, kuras tradicionāli apraksta, izmantojot definētu daļiņu un elektronu joslu jēdzienu, var pastāvēt tik haotiskā un delokalizētā vidē.
Negaidīta eksperimentāla pazīme
Atbilde tika iegūta, veicot skaidru mērījumu: tika konstatēts spontāns Halla efekts. Šis fenomens, kas rada transversālu spriegumu materiālā bez nepieciešamības piemērot ārēju magnētisko lauku, ir eksperimentāla pazīme, kas raksturīga noteiktiem topoloģiskiem stāvokļiem.
CeRu₄Sn₆ šis efekts parādījās tieši ultra zemas temperatūras režīmā, kas saistīts ar kvantu kritisko stāvokli, apstiprinot topoloģiskās kārtības klātbūtni. Dati parādīja, ka efekts bija raksturīgs materiālam, nevis eksperimentāls artefakts, ar signālu, kas bija simtreiz spēcīgāks nekā novērots citos zināmos topoloģiskos materiālos.
Atklājums liecina, ka topoloģija var būt emerģenta īpašība, kas rodas no spēcīgām mijiedarbībām un kolektīvām korelācijām starp elektroniem, pat ja nav parastā teorija pieprasa labi definētas atsevišķas daļiņas.
Pētnieki ierosināja jaunu teorētisko modeli, kas izmanto spektrālas funkcijas, nevis kvazidaļiņu jēdzienu, lai identificētu topoloģiskos krustpunktus sistēmā. Šis modelis pilnībā apstiprināja eksperimentālos datus, parādot, ka topoloģiskie mezgli, kas līdzīgi Weyl punktiem, var pastāvēt šajā neskaidrajā kvantu ainavā.
Atklājums liecina, ka kvantu kritiskajam punktam raksturīgās ekstremālās svārstības neiznīcina topoloģisko kārtību, bet var būt mehānisms, kas to stabilizē, veidojot “topoloģisko kupolu” materiāla fāžu diagrammā.
Šis sasniegums nav tikai teorētiska kuriozitāte; tas pārdefinē noteikumus jaunu materiālu ar topoloģiskām īpašībām meklēšanai. Tas norāda, ka sistēmas, kurās notiek kvantu fāžu pārejas, kas iepriekš pētītas saistībā ar citiem fenomēniem, varētu slēpt topoloģiskas fāzes.
Tas paver neizpētītu ceļu kvantu materiālu izstrādei ar potenciālu pielietojumu nākamās paaudzes tehnoloģijās, piemēram, spintronikā vai kļūdu toleranto kvantu skaitļošanu, kur topoloģisko stāvokļu stabilitāte ir neatsverama vērtība.
