Tarptautinis tyrimas atskleidžia, kad medžiaga gali būti topologinis pusmetalis net kritinėje kvantinėje būsenoje, kai tradicinė atskirų dalelių sąvoka išnyksta.
Revoliucinis atradimas kvantinės fizikos srityje kelia iššūkį pagrindiniams principams apie medžiagos būsenas. Tarptautinė mokslininkų komanda, bendradarbiaudama su Austrijos ir Jungtinių Valstijų mokslininkais, pirmą kartą įrodė, kad galima rasti topologines savybes medžiagoje, kuri yra kvantinės kritinės būsenos, t. y. režime, kuriame atskirų dalelių ar kvazidalelių nebegalima aiškiai apibrėžti.
Šis atradimas, paskelbtas prestižiniame žurnale „Nature Physics“, verčia teoriškai iš naujo apibrėžti „topologinės fazės“ sąvoką ir atveria naujas galimybes kurti medžiagas su egzotiškomis savybėmis.
Tyrimas buvo sutelktas į junginį CeRu₄Sn₆, klasifikuojamą kaip sunkiojo fermiono pusmetalo. Kai ši medžiaga atšaldoma iki itin žemos temperatūros, artimos absoliučiam nulio laipsniui, ji patenka į kvantinę kritinę būseną.
Šioje fazėje perėjimai priklauso ne nuo temperatūros, o nuo tokių parametrų kaip slėgis ar magnetinis laukas, o labiausiai neįprasta tai, kad išnyksta kvazidalelės, pagrindiniai elementai, apibūdinantys elektronų elgesį kietuose kūnuose.
Svarbiausias tyrimo klausimas buvo, kaip topologinės savybės, tradiciškai apibūdinamos naudojant apibrėžtų dalelių ir elektroninių juostų sąvoką, gali egzistuoti tokioje chaotiškoje ir delokalizuotoje aplinkoje.
Netikėtas eksperimentinis požymis
Atsakymas buvo rastas atlikus aiškų matavimą: aptikus spontanišką Holo efektą. Šis reiškinys, kuris sukuria skersinę įtampą medžiagoje be išorinio magnetinio lauko, yra eksperimentinis požymis, būdingas tam tikroms topologinėms būsenoms.
CeRu₄Sn₆ medžiagoje šis efektas atsirado būtent ultražemoje temperatūroje, susijusioje su kvantiniu kritiniu būsenos, patvirtindamas pagrindinės topologinės tvarkos buvimą. Duomenys parodė, kad šis efektas buvo būdingas medžiagai, o ne eksperimentinis artefaktas, o jo signalas buvo šimtą kartų stipresnis nei stebėtas kitose žinomose topologinėse medžiagose.
Šis atradimas reiškia, kad topologija gali būti nauja savybė, atsirandanti dėl stiprių sąveikų ir kolektyvinių koreliacijų tarp elektronų, net jei nėra aiškiai apibrėžtų atskirų dalelių, kurių reikalauja įprasta teorija.
Mokslininkai pasiūlė naują teorinę sistemą, kurioje naudojamos spektrinės funkcijos, o ne kvazidalelių sąvoka, siekiant identifikuoti topologinius susikirtimus sistemoje. Šis modelis puikiai atitiko eksperimentinius duomenis, parodydamas, kad topologiniai mazgai, panašūs į Weyl taškus, gali išlikti šiame neaiškiame kvantiniame kraštovaizdyje.
Atradimas rodo, kad kvantiniam kritiniam taškui būdingi ekstremalūs svyravimai nesunaikina topologinės tvarkos, bet gali būti mechanizmas, kuris ją stabilizuoja, formuodamas „topologinį kupolą” medžiagos fazių diagramoje.
Šis proveržis nėra tik teorinis smalsumas; jis iš naujo apibrėžia taisykles, pagal kurias ieškoma naujų medžiagų su topologinėmis savybėmis. Tai rodo, kad sistemos, kuriose vyksta kvantiniai faziniai perėjimai, anksčiau tirti kitų reiškinių atžvilgiu, gali slėpti paslėptas topologines fazes.
Tai atveria neištirtą kelią kuriant kvantines medžiagas, kurios galėtų būti pritaikytos naujos kartos technologijose, pavyzdžiui, spintronikoje arba atspariose gedimams kvantinėse skaičiavimo sistemose, kuriose topologinių būsenų patvarumas yra neįkainojamas.
