Топологический материал для хранения квантовых состояний
Квантовая физика утверждает, что частицы могут проявлять волновые свойства, что делает их положение в пространстве неопределённым. Однако в большинстве случаев классическое представление частиц как крошечных объектов остаётся весьма полезным. Например, при объяснении движения электрического тока через металлы физики часто представляют электроны как частицы, которые движутся с определённой скоростью и ускоряются под воздействием электромагнитных полей. Даже самые современные теории, такие как концепция топологических состояний, основаны на корпускулярной модели. Однако есть материалы, где эта модель перестаёт работать. В таких системах электроны не могут быть описаны как частицы с фиксированным положением или скоростью.
Исследователи из Венского технического университета доказали, что такие материалы могут демонстрировать топологические свойства, несмотря на то что ранее их объясняли через поведение, характерное для частиц. Это открытие подтверждает, что топологические состояния универсальны и могут сочетаться с квантово-критическими эффектами.
Итак, классическая концепция электронов как мельчайших частиц, сталкивающихся друг с другом и создающих электрический ток, остаётся удивительно надёжной. С некоторыми уточнениями она применима даже к сложным материалам, где электроны взаимодействуют очень сильно.
Однако существуют условия, при которых эта картина полностью разрушается и носители заряда теряют свои типичные свойства. Пример такого материала — CeRu₄Sn₆, состоящий из церия, рутения и олова, который был исследован при очень низких температурах в Венском техническом университете. «При абсолютном нуле он проявляет специфическое квантово-критическое поведение, — рассказывает Диана Киршбаум, автор исследования. — Материал колеблется между двумя состояниями, как будто не может выбрать одно из них. В этом режиме квазичастицы, по-видимому, теряют свою чёткую структуру».
Несмотря на это, теоретические расчёты показали, что в материале могут существовать топологические состояния. Термин «топология» пришёл из математики и используется для описания геометрических структур (напр., круг и эллипс, которые можно деформировать друг в друга без разрывов). Аналогично можно описать и состояния материи: скорости и энергии частиц, а также ориентация их спина могут подчиняться определённым геометрическим законам. Это делает топологические свойства очень устойчивыми, так что небольшие дефекты в материале не влияют на них. Именно поэтому они представляют интерес для хранения квантовой информации, создания новых датчиков и управления электрическими токами без использования магнитных полей.
Хотя топологические описания могут показаться абстрактными, они часто основаны на классической модели частиц. «Эти теории предполагают существование объектов с чётко определёнными скоростями и энергиями, — объясняет Диана Киршбаум. — Однако в нашем материале таких скоростей и энергий нет, так как он демонстрирует квантово-критическое поведение, несовместимое с моделью частиц. Тем не менее, простые теоретические модели, игнорирующие эти особенности, предсказывали наличие топологических характеристик».
Это противоречие заставило команду задуматься о серьёзности теоретического предсказания. В итоге любопытство взяло верх, и Диана Киршбаум приступила к поиску экспериментальных доказательств топологических состояний.
При температурах ниже одного градуса выше абсолютного нуля она обнаружила поведение, характерное для топологических состояний: аномальный эффект Холла. Обычно эффект Холла проявляется, когда носители заряда отклоняются под действием магнитного поля. Однако этот эффект может возникать и без магнитного поля, если материал обладает топологическими свойствами. Примечательно, что носители заряда в материале ведут себя как частицы, хотя классическая модель частиц в этом случае не работает.
«И это ещё не всё», — добавляет Диана Киршбаум. «Топологические свойства наиболее выражены в тех областях материала, где наблюдаются сильные флуктуации. Если подавить эти флуктуации с помощью давления или магнитного поля, топологические свойства исчезают».
Оказывается, топологические состояния более разнообразны, чем считалось ранее.
Исследователи назвали новое состояние возникающим топологическим полуметаллом и сотрудничали с Университетом Райса в Техасе. Лей Чен, соавтор исследования, работавший в группе профессора Цимяо Си, разработал новую теоретическую модель, объединяющую квантово-критические явления и топологию.
«Оказывается, для возникновения топологических свойств не обязательна модель частиц, — говорит Бюлер-Пашен. — Концепцию можно обобщить, и топологические различия будут проявляться более абстрактным, математическим образом. Более того, наши эксперименты показывают, что топологические свойства могут возникать даже в отсутствие частиц».
Это открытие имеет важное практическое значение, так как указывает на новую стратегию поиска топологических материалов. «Теперь мы понимаем, что стоит искать топологические свойства в квантово-критических материалах, возможно, даже в первую очередь, — говорит Бюлер-Пашен. — Поскольку квантово-критическое поведение широко распространено и его легко определить, эта связь может привести к открытию множества новых топологических материалов».
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал
По материалам открытых источников