Скрытая «рукообразность» Вселенной: Ученые обнаружили хиральность в неожиданном квантовом материале
Хиральность, или «рукообразность», — фундаментальное свойство, с которым мы сталкиваемся постоянно, даже не задумываясь. Подобно тому, как левая рука является зеркальным отражением правой, но не может быть с ней полностью совмещена, многие объекты в природе обладают этой интригующей асимметрией. Она вплетена в саму ткань жизни — от двойной спирали ДНК до структуры молекул, определяющих ароматы и вкусы. Долгое время считалось, что карта распространения хиральности в материальном мире довольно хорошо изучена. Однако недавнее открытие команды физиков из Принстонского университета под руководством профессора М. Захида Хасана стало настоящей научной неожиданностью. Ученые обнаружили хиральное квантовое состояние там, где его, по всем предыдущим представлениям, быть не должно — в материале, считавшемся идеально симметричным. Этот результат не просто пополняет копилку знаний, он способен изменить наше понимание квантовой реальности.
Необычный подозреваемый: решетка кагоме и ее тайны
В центре внимания оказался материал с несколько экзотическим названием KV₃Sb₅. Его кристаллическая структура образует так называемую решетку кагоме — красивый геометрический узор из соединенных углами треугольников, напоминающий традиционное японское плетение бамбуковых корзин. Физики-теоретики давно положили глаз на такие структуры, ведь они — настоящая «песочница» для изучения необычных квантовых явлений. До сих пор считалось, что сама по себе решетка кагоме симметрична и не обладает хиральностью.
Однако несколько лет назад та же группа Хасана, вооружившись сканирующим туннельным микроскопом (СТМ), уже подметила нечто странное в KV₃Sb₅. Оказалось, что при определенных условиях электроны в этом материале начинают вести себя коллективно, образуя волну зарядовой плотности (ВЗП). Представьте себе стоячую волну, только вместо воды — плотность электрического заряда. Это явление само по себе интересно и указывает на то, что электроны в материале сильно взаимодействуют друг с другом. Открытие ВЗП, опубликованное в престижном Nature, уже тогда породило вопрос: а не может ли это упорядочение электронов привести к спонтанному появлению хиральности в изначально нехиральной системе? Вопрос повис в воздухе, вызвав бурные дискуссии.
Новый «взгляд» на квантовый мир: когда обычных микроскопов недостаточно
Детектировать тонкие различия между «левыми» и «правыми» квантовыми состояниями — задача не из легких. Стандартные методы здесь часто пасуют. Как же ученым удалось «поймать» эту неуловимую хиральность? Им пришлось разработать новый инструмент — сканирующий фототоковый микроскоп (СФТМ).
В отличие от СТМ, который «ощупывает» поверхность материала острой иглой, СФТМ работает иначе. Ученые направляют на образец луч когерентного света с определенной поляризацией — грубо говоря, закрученного либо «влево», либо «вправо». Если материал обладает хиральностью, он будет по-разному взаимодействовать с этими двумя типами света. Это взаимодействие порождает фототок (электрический ток, вызванный светом), который и измеряется. Сравнивая величину фототока при облучении право- и левополяризованным светом, можно сделать вывод о наличии или отсутствии хиральности. Этот эффект известен как циркулярный фотогальванический эффект и является прямым доказательством нарушения симметрии.
Для эксперимента образцы KV₃Sb₅ охладили до сверхнизкой температуры в 4 Кельвина (это почти -269 градусов Цельсия!). При высоких температурах материал реагировал на «левый» и «правый» свет одинаково. Но стоило ему остыть ниже точки формирования волны зарядовой плотности, как картина резко изменилась: фототок стал «чувствовать» направление закрутки света. Это и был тот самый момент истины!
Что все это значит и почему это важно?
Во-первых, это открытие элегантно разрешает давний спор в физическом сообществе. Да, хиральные квантовые состояния действительно могут спонтанно возникать в объемных топологических материалах, даже если их исходная кристаллическая структура кажется симметричной. Топологические материалы — это вообще отдельная и очень горячая тема в современной физике. Их особенность в том, что некоторые их электронные свойства невероятно устойчивы к внешним воздействиям, почти как узел на веревке, который не развяжешь, как ни тяни. Сочетание топологии и хиральности открывает совершенно новые перспективы.
Во-вторых, сам факт спонтанного нарушения симметрии — это фундаментальный процесс в природе. Именно благодаря ему из изначально однородного «бульона» после Большого Взрыва возникла вся сложность и упорядоченность нашей Вселенной, от галактик до живых организмов. Каждый раз, когда ученые наблюдают и могут объяснить новый механизм такого нарушения, это приближает нас к пониманию самых основ мироздания.
И в-третьих, хотя профессор Хасан скромно отмечает, что строгой теории, объясняющей почему это происходит именно так, пока нет (и это нормально для передовой науки — сначала наблюдение, потом полное объяснение), практические применения уже просматриваются. Хиральные квантовые состояния могут стать основой для новых поколений оптоэлектронных устройств, более эффективных солнечных батарей или даже элементов квантовых компьютеров. Представьте себе устройства, которые могут не просто обрабатывать информацию, но и делать это, используя «рукообразность» света и материи!
Заглядывая за горизонт
Профессор Хасан сравнивает свою работу с использованием телескопа Джеймса Уэбба для взгляда в глубины квантового мира. И это не просто красивая метафора. Разработка новых, более чувствительных инструментов действительно позволяет увидеть то, что раньше было скрыто, открывая целые новые «континенты» для исследований.
Так что же дальше? Ученые продолжат изучать KV₃Sb₅ и другие подобные материалы, пытаясь докопаться до первопричин наблюдаемого эффекта. Параллельно будут вестись поиски других систем, где могут проявляться подобные скрытые хиральные состояния. И кто знает, какие еще сюрпризы приготовил нам квантовый мир? Одно ясно: это открытие — не точка, а скорее многоточие, обещающее еще много интересного. И это, честно говоря, невероятно вдохновляет.
