Физики открыли материал, работающий вопреки правилам квантовой теории: стабильность в нем рождается из хаоса

Фундаментальный постулат физики твердого тела, разделявшийквантовый порядок и хаос, был экспериментально опровергнут. Международныйнаучный коллектив продемонстрировал, что состояние квантовой критики — режим, вкотором электроны теряют свойства частиц, — способно порождать устойчивуютопологическую фазу. Согласно статье в журнале Nature Physics, это открытие нетолько разрешает давний теоретический парадокс, но и предлагает принципиальноновую стратегию поиска материалов для будущих квантовых устройств.

До сих пор считалось, что топологические свойства, лежащие воснове разработки сверхстабильных кубитов, требуют наличия квазичастиц —условных «электронов» с четко определенными параметрами. Однако в состоянииквантовой критики, на границе между двумя фазами, эта картина рушится. Системапревращается в «квантовую жидкость» с коллективными флуктуациями, где понятиеотдельной частицы теряет смысл. Базовые модели предсказывали, что такой хаосдолжен уничтожать любые упорядоченные топологические структуры.

Чтобы проверить это противоречие, исследователи изучилисоединение CeRu₄Sn₆ — тяжелофермионный полуметалл, который естественным образомнаходится в квантово-критическом состоянии при сверхнизких температурах.Проведя высокоточные измерения, команда обнаружила в материале явный признактопологии — спонтанный эффект Холла. Это возникновение поперечногоэлектрического напряжения в отсутствие какого-либо внешнего магнитного поля,что является прямым свидетельством наличия в структуре материала так называемыхузлов Вейля.

Ключевой результат, меняющий правила игры, заключается втом, что этот топологический сигнал достигал максимума именно в точке наивысшихквантовых флуктуаций (p = B = 0). Более того, когда ученые пытались подавитьэтот «хаос» с помощью внешнего давления или магнитного поля, топологическиесвойства ослабевали и полностью исчезали. Это стало неопровержимымдоказательством того, что квантовая критика не разрушает топологию, а,напротив, является ее источником. Стабильный порядок в данном случае эмерджентновозникает из коллективного хаотического состояния.

По сути, открытие предлагает новый, более эффективный«компас» для материаловедов. Вместо того чтобы вычислять сложные зонныеструктуры в поисках топологических сигнатур, теперь можно целенаправленноискать материалы, демонстрирующие квантово-критическое поведение. Посколькутакие системы уже хорошо изучены в контексте сверхпроводимости, новый подходможет значительно ускорить открытие целого семейства ранее неизвестныхтопологических материалов.

Источник:Nature Physics