Скрытая «рукообразность» Вселенной: Ученые обнаружили хиральность в неожиданном квантовом материале

Физики из Принстонского университета совершили прорыв, впервые зафиксировав хиральное квантовое состояние в материале, который считался эталоном симметрии. Речь идет о соединении KV₃Sb₅ с решеткой кагоме — геометрическим узором из треугольников. Открытие, опубликованное в Nature Communications, не только разрешает давний научный спор, но и открывает путь к созданию принципиально новых оптоэлектронных устройств и квантовых компьютеров, использующих «рукообразность» света и материи.

Охота на «призрака»: почему хиральность пряталась от ученых

Долгое время считалось, что решетка кагоме в KV₃Sb₅ идеально симметрична и не способна на спонтанное нарушение четности. Однако несколько лет назад та же группа профессора М. Захида Хасана заметила аномалию: при низких температурах электроны в материале начинали коллективное движение, образуя волну зарядовой плотности (ВЗП). Это поведение намекало на скрытую асимметрию, но стандартные методы ее не улавливали.

Новый микроскоп: как «закрученный» свет раскрыл тайну

Чтобы поймать неуловимое состояние, команда разработала сканирующий фототоковый микроскоп (СФТМ). В отличие от обычного туннельного микроскопа, СФТМ облучает образец лазером с левой или правой поляризацией — «закрученным» светом. Если материал хирален, он генерирует разный фототок для каждого типа поляризации. Эксперимент был проведен при температуре 4 Кельвина. Выше точки формирования ВЗП материал реагировал на свет симметрично. Но при охлаждении фототок резко начал «различать» левое и правое вращение — прямое доказательство спонтанного возникновения хиральности.

Переворот в физике: от фундаментальной теории к практическим устройствам

Это открытие имеет три ключевых последствия. Во-первых, оно доказывает, что хиральные квантовые состояния могут спонтанно возникать в объемных топологических материалах, даже если их кристаллическая структура изначально симметрична. Во-вторых, оно дает новый механизм спонтанного нарушения симметрии — фундаментального процесса, лежащего в основе возникновения сложности Вселенной после Большого взрыва. В-третьих, сочетание топологии и хиральности обещает революцию в оптоэлектронике: от сверхэффективных солнечных батарей до элементов квантовых компьютеров, способных обрабатывать информацию, используя «рукообразность» света. Сам профессор Хасан сравнивает свою работу с использованием телескопа «Джеймс Уэбб» для взгляда в квантовый мир. Разработка более чувствительных инструментов открывает целые новые континенты для исследований. Сейчас ученые сосредоточены на поиске первопричин эффекта в KV₃Sb₅ и аналогичных материалах. Каждый новый шаг приближает нас к пониманию того, как из симметричного «бульона» рождается вся сложность нашего мира.