Физики нашли материал, из-за которого придется переписывать определение топологических состояний
Исследователи обнаружили противоречащее существующему определению топологическое состояние в квантовом материале. Они считают, что пришло время переосмыслить определения для топологических систем и искать их в новых местах.
В квантовой физике частицы в основном рассматривают как волны, а их положение в пространстве не определено. Тем не менее и в рамках этого раздела ученым часто удобно рассматривать частицы как цельные маленькие объекты, перемещающиеся между точками с определенной скоростью. Электрический ток в металлах хорошо описывается как перемещение отдельных электронов, которые можно ускорять и смещать с помощью внешних полей.
Описание свойств материала с помощью модели частиц используется в самых современных физических концепциях, в том числе для топологических материалов. Для этого класса веществ работают особые, основанные на правилах математики и геометрии, правила: поведение частиц определяют через глобальные, а не локальные параметры.
Топологические свойства очень устойчивы к внешним воздействиям и подчиняются определенным геометрическим правилам. С помощью топологии физики описывают закономерности связи между спином электрона и направлением его движения. Небольшие дефекты в материале не меняют эти свойства. Топологическая фаза материалов интересует физиков при изучении сверхпроводимости, квантовой запутанности и спиновых жидкостей. На них возлагают большие надежды и производители квантовых компьютеров.
Однако внутри этой группы существуют материалы, в которых описание с помощью частиц теряет смысл, и ученые не могут рассматривать электроны как объекты с четко определенным положением либо уникальной скоростью. При сверхнизких температурах в квантово-критическом состоянии электроны этих материалов должны «терять» свойства частицы. Должны пропадать и свойственные топологическим материалам свойства.
Исследовательская группа из Венского технического университета (Австрия) показала, что даже в таких материалах проявляются топологические эффекты. Физики работали с тройным соединением церия, рутения и олова CeRu₄Sn₆ при темепературах в диапазоне 50 милликельвин — два кельвина. Статья опубликована в журнале Nature Physics.
Ученые исследовали CeRu₄Sn₆ теоретически. Расчеты показали, что в нем должны существовать топологические состояния, описываемые через частицы. Выбранный материал при этом демонстрировал квантово-критическое поведение, несовместимое с описанием через частицы.
Явное противоречие теории и практики вызвало у группы ученых сомнения в том, стоит ли тратить время на дополнительные исследования. Но любопытство взяло верх, и физики начали поиск экспериментальных свидетельств топологических состояний в материале.
При температурах ниже одного градуса выше абсолютного нуля исследователи пронаблюдали топологические состояния явно: носители заряда отклонялись от своего пути в отсутствие внешнего магнитного поля — аномальный эффект Холла. В обычном эффекте Холла носители заряда отклоняются магнитным полем.
«Топологический эффект наиболее силен именно там, где материал проявляет наибольшие флуктуации. Когда эти флуктуации подавляются давлением или магнитными полями, топологические свойства исчезают», — раскрыла детали первый автор статьи Диана Кирхбаум (Diana Kirschbaum).
Ученые считают, что из-за их открытия пришло время переписать определение топологических состояний в более общих терминах. Команда называет новооткрытое состояние эмерджентным топологическим полуметаллом (emergent topological semimetal). В сотрудничестве с физиками-теоретиками они разработали новую теоретическую модель, способную объединить явления квантовой критичности и топологии.
«Фактически выяснилось, что для существования топологических свойств не требуется их описание через частицы. Концепцию действительно можно обобщить, тогда топологические различия возникают более абстрактным, математическим путем. Более того, наши эксперименты позволяют предположить, что топологические свойства могут возникать даже из-за отсутствия частицеподобных состояний», — отметила руководитель научной группы профессор Зильке Бюлер-Пашен (Silke Bühler-Paschen).
Это открытие имеет важные практические последствия, поскольку указывает на новую стратегию поиска топологических материалов. Физики ожидают найти топологические свойства у других квантово-критических материалов, что расширит возможности для исследований и практических применений.
Telegram 
Дзен 
VK В шаровых звездных скоплениях должно быть немало небольших черных дыр, но астрономам редко удается их обнаружить. И вот ученые нашли первую черную дыру звездной массы в огромном скоплении Омега Центавра. Объект оказался менее массивным, чем ожидали специалисты, зато с огромным орбитальным периодом.
Власти штата Нью-Йорк ввели на год мораторий на строительство крупных дата-центров. Таким образом, Нью-Йорк стал первым штатом, где действует такое ограничение.
Пентагон совместно с ФБР опубликовал новый массив из 40 секретных документов и 19 видеозаписей, фиксирующих НЛО. Глава Консультативного совета при Белом доме, гарвардский астрофизик Ави Леб изучил обнародованные кадры и попытался объяснить природу самого странного из запечатленных объектов.
Кит живет двести лет, умеет пробивать головой полуметровый лед и поет океанский джаз голосом несмазанной дверной петли. Охотоморские гренландские киты — это не просто многотонные ледоколы. Это древние узники, которые остались жить в Охотском море со времен последнего оледенения. Это счастливцы, которые смогли пережить гарпуны китобоев XIX-XX веков, но сегодня уязвимы не меньше. Чтобы спасти этих поразительных китов, российским ученым и команде фонда «Природа и люди» приходится: считать хвосты, читать биографии по шрамам, прятать подростков от хищников, стрелять (спутниковыми метками) с парамоторов и тяжелых дронов. Рассказываем, как устроена жизнь гренландских китов России и кто помогает им не исчезнуть навсегда с лица планеты.
Ученые выяснили, почему интервальное голодание для многих оказывается эффективнее обычных диет. Исследование показало, что ограничение времени для приема пищи избавляет худеющего от изнуряющего ощущения жесткого контроля и при этом позволяет сбросить ровно столько же, сколько при скрупулезном подсчете калорий.
Деревья растут и люди стареют не потому, что идет время, а из-за происходящих внутри них процессов. Но можно ли сказать, что именно эти процессы порождают время? Ученый создал маленькую Вселенную, в которой дела обстоят именно так.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии