Порядок из распада: физики обнаружили новое состояние материи, возникающее при разрушении частиц

Стандартная модель физики твердого тела построена на концепции квазичастиц. Считается, что для описания сложного поведения электронов в металлах их можно рассматривать как раздельные объекты с определенной массой и зарядом. Однако новое исследование, опубликованное в Nature Physics, демонстрирует сдвиг в этой парадигме. Физики обнаружили, что сложная топологическая фаза — полуметалл Вейля-Кондо — может формироваться в условиях, где само понятие квазичастицы теряет физический смысл.

Авторы работы экспериментально доказали существование новой фазы материи — топологического полуметалла Вейля-Кондо, который возникает непосредственно из квантово-критического состояния. Это пересматривает базовые принципы того, как упорядоченные структуры могут формироваться в сильно коррелированных системах.

Кризис концепции квазичастицы

Обратимся к основам описания металлов. В стандартной теории ферми-жидкости Ландау сложное взаимодействие триллионов электронов сводится к поведению независимых квазичастиц. Это позволяет физикам рисовать диаграммы энергетических зон и предсказывать свойства материала. Топология в этом контексте — это глобальная характеристика такой зонной структуры (аналог количества отверстий в геометрической фигуре), которая делает проводящие свойства материала устойчивыми к загрязнениям и дефектам.

Однако при температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые материалы можно привести в точку фазового перехода не путем нагрева, а изменением давления или магнитного поля. Это и есть Квантовая Критическая Точка (QCP). Вблизи неё флуктуации охватывают всю систему. Электроны начинают взаимодействовать настолько интенсивно и хаотично, что теряют свою индивидуальность. Время жизни возбуждений сокращается, они становятся размытыми по энергии. Система переходит в состояние «странного металла» (не-ферми-жидкости), где стандартные уравнения перестают работать.

Главный вопрос, на который отвечали исследователи: может ли в этом хаосе, где разрушены сами строительные блоки (квазичастицы), возникнуть строгая топологическая структура?

Объект исследования: тяжелые фермионы

Для эксперимента был выбран кристалл CeRu₄Sn₆ (соединение церия, рутения и олова). Этот материал относится к классу систем с тяжелыми фермионами. Электроны на f-орбиталях церия обладают локализованными магнитными моментами, которые взаимодействуют с подвижными электронами проводимости (эффект Кондо).

Уникальность CeRu₄Sn₆ заключается в том, что он является «изначально критическим». Ему не требуется сложная настройка для достижения критической точки — он находится в ней при низких температурах естественным образом. Кроме того, кристаллическая решетка этого соединения не имеет центра инверсии, что является необходимым условием для возникновения определенных топологических фаз, таких как узлы Вейля.

Экспериментальное доказательство: спонтанный эффект Холла

Чтобы обнаружить топологию в условиях квантовой критичности, ученые подвергли образцы воздействию сверхнизких температур (вплоть до долей Кельвина), высокого давления и магнитных полей. Главным индикатором новой фазы стал спонтанный (нелинейный) эффект Холла.

Классический эффект Холла заключается в возникновении поперечного напряжения при протекании тока через проводник, помещенный в магнитное поле. В эксперименте с CeRu₄Sn₆ физики зафиксировали поперечное напряжение в отсутствие внешнего магнитного поля.

Этот феномен служит прямым доказательством существования кривизны Берри — особого «поля» в пространстве импульсов, которое отклоняет движение электронов. Источниками кривизны Берри в импульсном пространстве являются узлы Вейля — точки пересечения энергетических дисперсий. Поскольку материал не является магнитным (в классическом понимании упорядоченного магнетизма), появление такого сигнала однозначно указывает на формирование топологической фазы полуметалла Вейля.

Этот сигнал достигает максимума именно в условиях, когда материал демонстрирует свойства «странного металла» — линейную зависимость сопротивления от температуры и аномальную теплоемкость, свидетельствующие о разрушении квазичастиц.

Механизм возникновения: топология спектральных функций

Теоретический анализ, проведенный авторами с использованием расширенной динамической теории среднего поля, объясняет, как возможна топология без частиц.

Вместо анализа зонной структуры (которая подразумевает долгоживущие частицы), физики использовали формализм функций Грина. Это математический инструмент, описывающий реакцию системы на добавление или удаление электрона. Исследование показало, что даже если мнимая часть собственной энергии электрона велика (что означает быстрое затухание квазичастицы), симметрия кристаллической решетки накладывает жесткие ограничения на нули и полюса функции Грина.

В результате возникает ситуация, которую можно назвать «топологией спектральной плотности». Узлы Вейля формируются не как пересечение четких линий энергетических уровней, а как точки пересечения пиков спектральной функции. Квантовая критичность, связанная с разрушением эффекта Кондо, не уничтожает эту структуру, а, напротив, стабилизирует её. Флуктуации спинов и зарядов, характерные для критической точки, выступают катализатором возникновения фазы Вейля-Кондо.

Фазовая диаграмма и «Купол»

Построив фазовую диаграмму зависимости состояния материала от температуры, давления и магнитного поля, исследователи обнаружили структуру, напоминающую купол.

1. Центр купола совпадает с квантовой критической точкой. Именно здесь сигнал спонтанного эффекта Холла наиболее силен.
2. Подавление фазы: при удалении от критической точки (путем повышения давления или наложения сильного магнитного поля) система возвращается к более привычному поведению, и топологические свойства исчезают.

Такая геометрия фазовой диаграммы (купол над критической точкой) характерна для возникновения неконвенциональной сверхпроводимости. Тот факт, что топологический полуметалл демонстрирует аналогичное поведение, указывает на глубокую универсальность процессов самоорганизации материи вблизи квантовых фазовых переходов.

Только если в случае сверхпроводимости энтропия системы падает за счет образования куперовских пар (возвращая квазичастицы в виде сверхпроводящего конденсата), то в случае полуметалла Вейля-Кондо система остается «странным металлом» с высокой энтропией. Это принципиально новый тип упорядочения.

Значение для фундаментальной науки и технологий

Результаты исследования формулируют новый принцип поиска и дизайна квантовых материалов:

1. Корреляционная топология: сильные электронные взаимодействия, которые ранее считались помехой для реализации топологических фаз, теперь могут рассматриваться как инструмент их создания.
2. Выход за пределы теории Ландау: работа предоставляет экспериментальную платформу для проверки теорий, описывающих материю без опоры на концепцию квазичастиц. Это критически важно для понимания физики высокотемпературных сверхпроводников и других экзотических состояний.
3. Технологический потенциал: топологические полуметаллы обладают уникальными транспортными свойствами, включая сверхвысокую подвижность носителей заряда и устойчивость к внешним возмущениям. Возможность управлять этими свойствами через квантовую критичность открывает путь к созданию электроники нового поколения, работающей на принципах квантовой топологии.

Таким образом, «смерть» квазичастицы в квантовом хаосе оказывается не концом упорядоченной физики, а точкой рождения новой, более сложной формы организации материи.

Источник:Nature Physics