Международная команда физиков под руководством профессора Цимяо Си из Университета Райса объединила в своей новой работе квантовую критичность и электронную топологию. Квантовая критичность — это состояние, при котором электроны колеблются между разными фазами, подобно воде на грани замерзания или кипения. Топология описывает особую форму квантовой организации, связанную с волновыми свойствами электронов. Топологические состояния отличаются устойчивыми завихрениями в волновой природе электронов, которые сохраняются даже если структура материала меняется.
До сих пор эти явления считались несовместимыми. Топологические эффекты наблюдались в материалах со слабым взаимодействием электронов, тогда как квантовая критичность проявлялась в системах с сильными корреляциями. Ученые решили проверить, можно ли преодолеть это разделение.
«Это фундаментальный шаг вперед, — говорит Цимяо Си. — Наша работа показывает, что мощные квантовые эффекты могут объединяться, создавая нечто совершенно новое, что может определить будущее квантовой науки».
Физики разработали теоретическую модель, которая предсказывает поведение электронов под воздействием одновременно сильных взаимодействий и топологических эффектов. Результат оказался неожиданным: оказалось, что квантовая критичность сама по себе способна порождать топологическое поведение.
«Мы были удивлены, обнаружив, что квантовая критичность сама по себе может генерировать топологическое поведение, особенно в условиях сильных взаимодействий», — отметил Лэй Чэнь, соавтор исследования.
Теоретические предсказания подтвердились в эксперименте. Группа физиков из Венского технического университета под руководством Зильке Пашен наблюдала соответствующее поведение в так называемом тяжелофермионном материале — веществе, где электроны ведут себя так, будто обладают значительно большей массой из-за взаимодействий между собой.
Открытие имеет большие перспективы по практическому применению. Топологические материалы устойчивы к внешним возмущениям, а квантовая критичность усиливает квантовую запутанность. Сочетание этих свойств делает новое гибридное состояние особенно ценным для создания устойчивых и чувствительных квантовых устройств. Оба эффекта связаны с такими явлениями, как сверхпроводимость и экстремальная чувствительность к внешним сигналам.
«Мы выяснили, что сильные взаимодействия электронов могут порождать топологические состояния, а не разрушать их, — подчеркивает Си. — Таким образом, нам удалось обнаружить новое квантовое состояние с существенным практическим значением. Это не просто теоретическое понимание — это шаг к созданию реальных технологий, которые будут использовать глубинные принципы квантовой физики».
Ранее физики создали в лаборатории устойчивые трехмерные солитоны.