Квантовая физика давно приучила нас к тому, что частицы ведут себя как волны. Тем не менее во многих ситуациях физики продолжают использовать классическое представление об электронах как о частицах, летящих сквозь материал. Это упрощение отлично работало при описании электрического тока и даже легло в основу теории топологических изоляторов, за открытие которых в 2016 году вручили Нобелевскую премию. Топологические состояния характеризуются особой геометрической устойчивостью: их свойства нельзя изменить мелкими деформациями.
Однако существует особый класс квантовых материалов, где классическая картина рушится окончательно. В них электроны взаимодействуют друг с другом настолько сильно, что теряют привычные свойства частиц: у них пропадают четко определенная скорость и положение. Долгое время считалось, что в таких условиях топологические эффекты существовать не могут.
Группа исследователей опровергла это заблуждение. Результаты работы они опубликовали в журнале Nature Physics.
Физики экспериментировали с соединением церия, рутения и олова CeRu4Sn6. При охлаждении почти до абсолютного нуля этот материал переходит в так называемое квантовое критическое состояние, начиная непрерывно флуктуировать между двумя фазами. В этом режиме электроны окончательно теряют индивидуальные свойства, превращаясь в единую пульсирующую квантовую среду.
Вопреки всем ожиданиям, именно в точке самых сильных флуктуаций приборы зафиксировали мощный спонтанный эффект Холла. Обычно этот эффект возникает под действием внешнего магнитного поля, искривляющего траектории электронов. Но в данном случае никакого магнита рядом не было: электроны поворачивали сами, повинуясь внутренней геометрии материала. Более того, как только ученые подавляли квантовые флуктуации давлением или магнитным полем, эффект исчезал.
Теоретическую поддержку эксперименту оказали коллеги-физики из США, разработавшие модель для объяснения феномена. Они доказали, что топология может рождаться прямо из хаоса квантовой критичности, даже когда исчезают привычные квазичастицы. Устойчивые свойства возникают на более глубоком математическом уровне: симметрия системы заставляет энергетические спектры пересекаться определенным образом, создавая структуру поверх квантового шума.
Работа физиков открывает новый способ поиска экзотических материалов. Теперь ученые знают, что квантовая критичность — не помеха, а катализатор для возникновения топологических фаз. Открытие может привести к созданию принципиально новой электроники, где током управляют не магнитные поля, а внутренняя геометрия вещества, устойчивая к помехам и дефектам.