Вчені довели існування топологічних станів матерії там, де раніше це вважалося неможливим через руйнування звичних властивостей частинок. Виявилося, що навіть за умов квантового хаосу можуть спонтанно виникати структури, стійкі до зовнішніх збурень. Через це довелося переглянути фундаментальне визначення топології, відокремивши його від класичної поведінки електронів.
Квантова фізика давно привчила нас до того, що частинки поводяться як хвилі. Проте в багатьох випадках фізики й далі використовують класичне уявлення про електрони як частинки, що рухаються крізь матеріал. Це спрощення добре працювало при описі електричного струму й навіть лягло в основу теорії топологічних ізоляторів, за відкриття яких у 2016 році було присуджено Нобелівську премію. Топологічні стани характеризуються особливою геометричною стійкістю: їхні властивості не змінюються під дією малих деформацій.
Однак існує особливий клас квантових матеріалів, у яких класична картина руйнується остаточно. У них електрони взаємодіють між собою настільки сильно, що втрачають звичні властивості частинок: зникають чітко визначені швидкість і положення. Тривалий час вважалося, що за таких умов топологічні ефекти не можуть існувати.
Група дослідників спростувала це уявлення. Результати роботи було опубліковано в журналі Nature Physics.
Фізики експериментували зі сполукою церію, рутенію та олова — CeRu₄Sn₆. За температур, близьких до абсолютного нуля, цей матеріал переходить у так званий квантово-критичний стан, безперервно флуктуюючи між двома фазами. У такому режимі електрони остаточно втрачають індивідуальні властивості, перетворюючись на єдине пульсуюче квантове середовище.
Попри очікування, саме в точці найсильніших флуктуацій прилади зафіксували потужний спонтанний ефект Холла. Зазвичай він виникає під дією зовнішнього магнітного поля, яке викривляє траєкторії електронів. У цьому ж випадку жодного магніту поблизу не було: електрони відхилялися самі, підкоряючись внутрішній геометрії матеріалу. Ба більше, щойно вчені пригнічували квантові флуктуації тиском або магнітним полем, ефект зникав.
Теоретичну підтримку експерименту надали фізики зі США, які розробили модель для пояснення феномену. Вони показали, що топологія може народжуватися безпосередньо з хаосу квантової критичності, навіть тоді, коли зникають звичні квазічастинки. Стійкі властивості виникають на глибшому математичному рівні: симетрія системи змушує енергетичні спектри перетинатися певним чином, формуючи впорядковану структуру поверх квантового шуму.
Ця робота відкриває нові підходи до пошуку екзотичних матеріалів. Тепер відомо, що квантова критичність — не перешкода, а каталізатор виникнення топологічних фаз. Відкриття може привести до створення нової електроніки, у якій струмом керують не магнітні поля, а внутрішня геометрія речовини, стійка до завад і дефектів.