Физики открыли новое квантовое состояние в элементарном твердом теле

Физики наблюдали неизвестный ранее квантовый эффект, названный «гибридной топологией» в кристаллическом материале. Это открытие дает новые возможности для разработки эффективных материалов и технологий для квантовой науки и техники будущего поколения, пишет Phys.org.

Открытие было сделано, когда ученые из Принстона обнаружили, что элементарный твердый кристалл, состоящий из атомов мышьяка (As), обладает никогда ранее не наблюдавшейся формой топологического квантового поведения. Им удалось исследовать и отобразить это новое квантовое состояние с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и фотоэмиссионной спектроскопии (последний метод используется для определения относительной энергии электронов в молекулах и атомах).

Новое состояние объединяет или «гибридизирует» две формы топологического квантового поведения — краевые состояния и поверхностные состояния, которые представляют собой два типа квантовых двумерных электронных систем. Они наблюдались в предыдущих экспериментах, но никогда их не замечали одновременно в одном и том же материале, где они смешивались, образуя новое состояние материи.

В последние годы топологические состояния материи привлекли значительное внимание физиков и инженеров. В настоящее время их изучение находится в центре большого международного интереса, им посвящаются многие работы. Эта область исследования сочетает в себе квантовую физику с топологией — разделом теоретической математики, изучающим геометрические свойства, которые можно деформировать, но не изменить по сути.

На протяжении более десяти лет ученые использовали топологические изоляторы на основе висмута (Bi) для демонстрации и исследования экзотических квантовых эффектов в сыпучих твердых веществах, в основном путем производства сложных материалов, таких как, например, смешивание Bi с селеном (Se). Однако этот эксперимент — первый случай, когда топологические эффекты были обнаружены в кристаллах элемента As.

Элементарное твердое тело служит бесценной экспериментальной платформой для проверки различных концепций топологии. До сих пор висмут был единственным элементом, имеющим богатую топологию, что привело к двум десятилетиям интенсивной исследовательской деятельности. Частично это объясняется чистотой материала и простотой синтеза. Однако нынешнее открытие еще более богатых топологических явлений в мышьяке потенциально проложит путь к новым и устойчивым направлениям исследований.

Топологический материал — это основной компонент, используемый для исследования тайн квантовой топологии. Это устройство действует как изолятор внутри себя, а это означает, что электроны внутри не могут свободно перемещаться и, следовательно, не проводят электричество. При этом электроны на краях устройства могут свободно перемещаться. Более того, благодаря особым свойствам топологии, электронам, текущим по краям, не препятствуют никакие дефекты или деформации.

Хасан отметил, что существует большой интерес к использованию топологических материалов для практических приложений. Но прежде чем это можно будет реализовать, необходимо выполнить две задачи. Во-первых, квантово-топологические эффекты должны проявляться при более высоких температурах. Во-вторых, необходимо найти простые и элементарные материальные системы (например, кремний для традиционной электроники), которые могут поддерживать топологические явления.

Ранее в Оксфорде наблюдали странное поведение частиц, которое нарушает фундаментальный физический закон притяжения и отталкивания.