В квантовой физике частицы чаще всего описываются как волны, чье точное положение в пространстве не определено. Однако для решения многих задач ученые успешно применяют модель дискретных объектов, перемещающихся с конкретной скоростью. Например, электрический ток в металлах отлично объясняется движением отдельных электронов, чью траекторию можно изменять внешними полями.
Сила топологического подхода
Модель частиц лежит в основе передовых физических теорий, включая концепцию топологических материалов. Для этого уникального класса веществ ключевыми становятся глобальные, а не локальные параметры, описываемые законами математики и геометрии.
Топологические свойства демонстрируют удивительную устойчивость к внешним воздействиям и подчиняются строгим геометрическим принципам. Физики используют топологию для объяснения взаимосвязи спина электрона и направления его движения. Эти характеристики остаются неизменными даже при наличии небольших дефектов структуры. Изучение топологических фаз открывает перспективы в исследованиях сверхпроводимости, квантовой запутанности и спиновых жидкостей, а также сулит прорывы в создании квантовых компьютеров.
Парадокс квантовой критичности
Существует группа материалов, где классическое описание через частицы перестает работать. В них при сверхнизких температурах электроны входят в квантово-критическое состояние, теряя четкие координаты и скорость. Согласно существующим представлениям, в таких условиях должны исчезать и характерные топологические свойства.
Неожиданное открытие
Исследовательская команда из Австрии продемонстрировала, что топологические эффекты могут проявляться даже в таких парадоксальных условиях. Ученые сосредоточились на изучении тройного соединения CeRu₄Sn₆ при экстремально низких температурах (от 50 милликельвин до 2 кельвинов).
Теоретические расчеты предсказывали существование в этом материале топологических состояний, описываемых частицами. Однако сам материал демонстрировал ярко выраженное квантово-критическое поведение, которое казалось несовместимым с такой моделью.
Это неожиданное расхождение вызвало временные сомнения, но решимость ученых взяла верх. Они приступили к поиску экспериментальных подтверждений топологии в CeRu₄Sn₆.
Экспериментальное подтверждение
При температурах ниже одного кельвина исследователям удалось зафиксировать явные признаки топологических состояний: носители заряда отклонялись от своей траектории без воздействия внешнего магнитного поля – наблюдался аномальный эффект Холла (в отличие от обычного, требующего магнитного поля).
Было установлено, что топологический эффект достигает максимума именно в области наибольших флуктуаций материала. Подавление этих флуктуаций давлением или магнитными полями приводило к исчезновению топологических свойств.
Революция в определении
Это открытие указывает на необходимость пересмотра самого определения топологических состояний в сторону большей общности. Команда предложила термин "эмерджентный топологический полуметалл" (emergent topological semimetal) и совместно с теоретиками разработала новую модель, объединяющую явления квантовой критичности и топологии.
Оказалось, что существование топологических свойств не обязательно требует их описания через частицы. Концепция допускает обобщение, где топологические различия возникают более абстрактным, математическим путем. Более того, эксперименты позволяют предположить, что топологические свойства могут формироваться именно благодаря отсутствию частицеподобных состояний.
Перспективы новых открытий
Открытие имеет огромное практическое значение, предлагая новую стратегию поиска топологических материалов. Ученые с оптимизмом ожидают обнаружения топологических свойств у других квантово-критических соединений, что существенно расширит горизонты фундаментальных исследований и практических приложений в области передовых технологий.
Источник: naked-science.ru
