Ще десять років тому відкриття топологічних фаз матерії перевернуло уявлення фізиків про те, як можуть поводитися електрони в твердих тілах. Саме за ці теоретичні роботи у 2016 році вручили Нобелівську премію з фізики. Відтоді наука пішла ще далі — і тепер дослідники повідомляють про стан матерії, який, здавалося б, узагалі не мав існувати згідно з класичними уявленнями.
Команда вчених із США та Європи досліджувала незвичайну сполуку з церію, рутенію та олова (CeRu₄Sn₆). Цей матеріал давно привертав увагу фізиків, адже він поводиться дивно за наднизьких температур, близьких до абсолютного нуля. Саме в таких умовах виникають так звані квантові фазові переходи — моменти, коли матерія змінює свій стан не через нагрів чи охолодження, а через квантові ефекти.
Коли електрони перестають бути «частинками»
У більшості відомих матеріалів електрони можна описувати як квазічастинки — умовні «кульки» з чітко визначеними властивостями: енергією, швидкістю, спіном. На цій ідеї тримається значна частина сучасної фізики твердого тіла. Але в CeRu₄Sn₆ ця схема дала збій.
Як пояснює провідна авторка дослідження Діана Кіршбаум, матеріал ніби «вагається» між двома різними станами. У цьому режимі електрони втрачають звичні риси частинок, і класична квазічастинкова картина просто перестає працювати. Згідно з усталеними теоріями, у такій ситуації топологічні властивості взагалі не мали б виникати.
І саме тут на вчених чекала несподіванка.
Топологія без частинок
Щоб зрозуміти, що таке топологія, фізики часто наводять просту аналогію: яблуко і пончик. Яблуко можна стиснути, розтягнути або трохи деформувати, але перетворити його на пончик без «прорізання» отвору неможливо. Ця «дірка» — ключова топологічна властивість.
У матеріалах топологія працює схожим чином: деякі характеристики електронних станів залишаються незмінними навіть за значних зовнішніх впливів. Саме тому топологічні матеріали вважають перспективними для створення енергоефективної електроніки, надійних систем зберігання даних і нових типів сенсорів.
Але в досліджуваній сполуці електрони, по суті, перестали бути «об’єктами» з чіткими параметрами. І попри це, експерименти показали наявність аномального ефекту Холла — відхилення електричного струму, яке зазвичай виникає лише у магнітному полі. У цьому випадку жодного магнітного поля не було: відхилення зумовлювала сама внутрішня структура матеріалу.
Це означає, що топологічні властивості можуть виникати навіть без частинкоподібних електронів.
Новий клас матерії
Вчені назвали це явище «емергентним топологічним напівметалом». Тобто таким станом матерії, властивості якого не закладені безпосередньо в окремих частинках, а виникають колективно — як результат складної квантової взаємодії.
Це відкриття важливе не лише з теоретичної точки зору. Воно натякає на існування цілого класу матеріалів, які раніше просто не помічали або вважали неможливими. Деякі з таких систем можуть мати зовсім неочікувані властивості — наприклад, генерувати надзвичайно сильні електричні струми під дією світла або працювати в умовах, де звичайна електроніка безсила.
Що це змінює для науки
Зв’язок між квантовою критичністю та топологією відкриває новий напрямок у фізиці матеріалів. Дослідники припускають, що подібні «нестандартні» стани матерії можуть бути значно поширенішими, ніж вважалося раніше.
Інакше кажучи, природа може ховати ще багато матеріалів, які порушують наші уявлення про те, як повинна працювати фізика. А це означає, що на нас чекають не лише нові відкриття, а й потенційні технології, які сьогодні здаються фантастикою.