Международная группа физиков обнаружила новый тип квантовой дуальности — способности материи проявлять противоположные свойства одновременно. Команда под руководством Лу Ли, профессора физики из Мичиганского университета, изучала загадочное явление квантовых осцилляций. В металлах это явление хорошо известно: электроны ведут себя как крошечные пружинки, вибрирующие в ответ на магнитные поля. Изменяя силу магнитного поля, ученые могут управлять скоростью движения этих «электронных пружин». Однако в последние годы такие же осцилляции были обнаружены в изоляторах — материалах, которые по определению не должны проводить электричество или тепло.
Чтобы разгадать эту загадку, ученые провели серию экспериментов в Национальной лаборатории сильных магнитных полей, в которой находятся самые мощные магниты в мире. Они изучали поведение соединения под названием борид иттербия в магнитном поле силой 35 Тесла — это примерно в 35 раз сильнее, чем поле внутри больничного МРТ-сканера.
Результаты оказались неожиданными: в условиях экстремально сильного магнитного поля квантовые осцилляции происходили не на поверхности материала, как того ожидали физики, а в его толще. Это означает, что весь материал-изолятор каким-то образом проявлял металлические свойства, оставаясь при этом изолятором.
«Фактически мы показали, что наше прежнее представление о поверхностной проводимости оказалось неверным. Все соединение ведет себя как металл, хотя это изолятор», — объяснил Ли.
Ученый называет это открытие частью «новой дуальности» в физике. Первая, «старая» дуальность была открыта более века назад, когда ученые поняли, что свет и материя могут вести себя как волны и частицы одновременно. Это открытие преобразило физику и привело к созданию солнечных батарей и электронных микроскопов.
«В течение многих лет ученые искали ответ на фундаментальный вопрос о происхождении носителей заряда в этом экзотическом изоляторе: это объемный или поверхностный эффект? Мы рады предоставить четкие доказательства того, что это объемное и внутреннее свойство», — говорит член исследовательской группы Куан-Вен Чен.
Хотя борид иттербия проявляет свое металлическое поведение исключительно в экстремальных магнитных условиях, открытие заставляет задуматься о поведении материалов на квантовом уровне и может в будущем привести к созданию принципиально новых технологий.
Ранее физики впервые объединили данные двух крупнейших нейтринных экспериментов, чтобы разгадать одну из главных загадок Вселенной.