Материя, которой не должно существовать — электроны ведут себя как частицы, но частицами не являются

Физики обнаружили состояние материи, которое еще недавно считалось невозможным и ставит под сомнение устоявшиеся представления о поведении электронов. Эксперимент показал, что топологические свойства могут возникать даже в тех случаях, когда электроны больше не описываются как частицы с определенными скоростями и энергиями. Это открытие расширяет представления о квантовых материалах и может оказаться важным для будущих вычислительных и сенсорных технологий.

Работу выполнили исследователи Венского технического университета совместно с теоретиками из Университета Райса в Техасе. Им удалось экспериментально показать, что топологические состояния не обязательно связаны с классической моделью электронов, которая десятилетиями считалась фундаментальной. Полученные данные прямо противоречат этому подходу.

Понятие топологии пришло в физику из математики и описывает свойства, сохраняющиеся при деформациях системы. В твердых телах такие эффекты ценятся за устойчивость электронных характеристик к дефектам и внешним воздействиям. Именно поэтому топологические материалы давно рассматриваются как перспективная основа для энергоэффективной электроники и квантовых устройств. До недавнего времени считалось, что подобные свойства возможны только в системах, где электроны ведут себя как четко определенные квазичастицы. Новый эксперимент показал, что это не всегда так.

В исследовании использовалось соединение на основе церия, рутения и олова CeRu₄Sn₆. Образцы изучали при температурах менее чем на 1 градус выше абсолютного нуля, где квантовые эффекты проявляются особенно сильно. В этих условиях материал переходил в состояние квантовой критичности, при котором система непрерывно колеблется между двумя фазами и не стабилизируется ни в одной из них.

Именно в этой области ученые обнаружили отчетливый топологический сигнал — аномальный эффект Холла. В обычной ситуации носители заряда отклоняются под действием внешнего магнитного поля. Здесь же отклонение возникало само по себе, без какого-либо поля, что считается надежным признаком топологической природы состояния. При этом электроны демонстрировали поведение, напоминающее движение частиц, хотя стандартное описание для данного материала уже не применимо.

Особенно примечательно, что эффект усиливался там, где квантовые флуктуации достигали максимума. Когда эти флуктуации подавляли с помощью давления или магнитного поля, топологические признаки исчезали. Это указывает на прямую связь между квантовой критичностью и возникновением нового типа топологического состояния.

Результаты заставили ученых пересмотреть само понимание топологических фаз. Эксперимент показал, что для их появления не требуется привычное представление об электронах как квазичастицах. Топологические различия могут формироваться на более абстрактном уровне, следуя математическим закономерностям, даже если стандартная физическая интерпретация перестает работать.

Теоретическое объяснение наблюдаемого эффекта было разработано совместно с группой из Университета Райса. Ученые предложили модель, которая связывает квантовую критичность с топологическими свойствами в системах с сильными взаимодействиями. В рамках этой модели удалось показать, как сами квантовые флуктуации могут приводить к появлению устойчивых топологических эффектов.

Найденное состояние исследователи описывают как возникающий топологический полуметалл. По их мнению, открытие указывает на целый класс материалов, которые ранее оставались вне поля зрения из-за слишком узких критериев поиска. Квантовая критичность известна для многих соединений и сравнительно легко выявляется экспериментально, что делает новый подход практичным инструментом.