Учените откриха състояние на материята, което се е смятало за невъзможно

Учените доказаха съществуването на топологични състояния на материята там, където преди това се е смятало за невъзможно поради разрушаването на обичайните свойства на частиците. Оказало се, че дори в условия на квантов хаос, структури, устойчиви на външни смущения, могат спонтанно да възникнат. Това доведе до преразглеждане на фундаменталното определение за топология, отделяйки я от класическото поведение на електроните.

Квантовата физика отдавна ни учи, че частиците се държат като вълни. Но в много случаи физиците все още използват класическата идея за електроните като частици, движещи се през материята. Това опростяване се е оказало добре при описанието на електрическия ток и дори е в основата на теорията за топологичните изолатори, чието откритие е удостоено с Нобелова награда през 2016 г. Топологичните състояния се характеризират със специална геометрична стабилност: свойствата им не се променят под влиянието на малки деформации.

Съществува обаче специален клас квантови материали, при които класическата картина се разпада напълно. В тях електроните взаимодействат помежду си толкова силно, че губят обичайните свойства на частиците: добре дефинирана скорост и позиция изчезват. Дълго време се смяташе, че при такива условия топологичните ефекти не могат да съществуват.

Група изследователи опровергаха това схващане. Резултатите от работата бяха публикувани в списание Nature Physics.

Физици експериментирали със съединение от церий, рутений и калай —- CeRu₄Sn₆. При температури, близки до абсолютната нула, този материал навлиза в така нареченото квантово критично състояние, непрекъснато колебаейки се между две фази. В този режим електроните напълно губят своите индивидуални свойства, превръщайки се в единна пулсираща квантова среда.

Противно на очакванията, именно в точката на най-силните флуктуации инструментите регистрирали мощен спонтанен ефект на Хол. Обикновено той възниква под въздействието на външно магнитно поле, което изкривява траекториите на електроните. В този случай наблизо нямало магнит: електроните се отклонявали сами, подчинявайки се на вътрешната геометрия на материала. Нещо повече, веднага щом учените потиснали квантовите флуктуации с налягане или магнитно поле, ефектът изчезнал.

Теоретична подкрепа за експеримента дойде от физици в САЩ, които разработиха модел, който обяснява феномена. Те показаха, че топологията може да възникне директно от хаоса на квантовата критичност, дори когато обичайните квазичастици изчезнат. Устойчивите свойства възникват на по-дълбоко математическо ниво: симетрията на системата принуждава енергийните спектри да се пресичат по определен начин, образувайки подредена структура върху квантовия шум.

Тази работа открива нови подходи към търсенето на екзотични материали. Сега е известно, че квантовата критичност не е пречка, а катализатор за появата на топологични фази. Откритието би могло да доведе до създаването на нова електроника, в която токът се контролира не от магнитни полета, а от вътрешната геометрия на вещество, устойчиво на смущения и дефекти.