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.