Физика — это наука, которая регулярно плюёт в лицо здравому смыслу, а потом извиняется математическими формулами, которые понимают человек двадцать на планете.
Январь 2026 года подарил нам очередной подобный плевок. Международная команда учёных из Венского технического университета и Университета Райса опубликовала в Nature Physics работу, которая переворачивает наше понимание того, как возникают экзотические состояния материи. Если коротко: они обнаружили, что топологический полуметалл — штука, которая по всем канонам требует строгого порядка и чётко определённых частиц — может спонтанно рождаться из квантового хаоса. Из состояния, где никаких частиц, по идее, вообще нет.
Это примерно как если бы вы бросили кирпичи с балкона, а они сами собрались в готовый дом. С мебелью и интернетом.
Но давайте по порядку. Потому что чтобы оценить масштаб этого безобразия, нужно понять, против каких правил оно совершено.
Топология для тех, кто прогулял все лекции
Слово «топология» звучит как что-то из учебника для особо одарённых. На самом деле базовая идея проста до неприличия. Топология — это математика, которую волнует не форма объекта, а его «дырки». Для тополога бублик и кофейная чашка — одно и то же, потому что у обоих одна дыра. А вот мяч — совсем другая история.
Когда физики приволокли топологию в квантовую механику, случилось волшебство. Оказалось, что электроны в твёрдых телах можно классифицировать по «топологическим числам» — характеристикам, которые не меняются при небольших возмущениях. Это как серийный номер, который нельзя подделать.
Топологические материалы — изоляторы, полуметаллы, сверхпроводники — обладают уникальными свойствами именно благодаря этим «защищённым» характеристикам. Например, вейлевские полуметаллы имеют особые точки в зонной структуре — узлы, где зоны проводимости и валентная зона касаются друг друга. Эти точки, узлы Вейля, ведут себя как источники и стоки особой величины — кривизны Берри. И эта кривизна порождает экзотические эффекты: аномальный эффект Холла, гигантские магнетосопротивления, всякую научную фантастику наяву.
Но вот незадача. Вся эта красота строится на концепции блоховских состояний — волновых функций электронов в периодическом потенциале кристалла. А блоховские состояния, в свою очередь, предполагают наличие квазичастиц — объектов, которые ведут себя почти как свободные электроны, только с изменённой массой и другими параметрами.
Что происходит, когда квазичастиц нет? Традиционный ответ: топология теряет смысл. Нет частиц — нет зонной структуры. Нет структуры — нет топологии. Логично? Логично. И абсолютно неправильно.
Квазичастицы умерли — да здравствует что?
Квазичастицы — это гениальная выдумка физиков, позволяющая описывать сложнейшие многочастичные системы простым языком. Вместо того чтобы отслеживать взаимодействие миллиардов электронов, мы говорим: «Ок, давайте представим, что там летают какие-то штуки, похожие на электроны, но с другими свойствами». Это работает феноменально хорошо — почти всегда.
Но есть особые состояния материи, где квазичастицы разваливаются. Буквально. Это происходит вблизи так называемых квантовых критических точек — мест на фазовой диаграмме, где система балансирует между двумя разными состояниями при абсолютном нуле температуры. Квантовые флуктуации там настолько сильны, что любая попытка описать электрон как «почти свободную частицу» терпит фиаско.
Что мы видим экспериментально? Неферми-жидкостное поведение: электрическое сопротивление, которое растёт линейно с температурой вместо квадратичной зависимости. Теплоёмкость, которая ведёт себя не по правилам. Магнитная восприимчивость, которая расходится по степенному закону с дробным показателем. Хаос, одним словом.
И именно в этом хаосе венские физики нашли топологическую фазу. Что, простите?
Материал, который они изучали — CeRu₄Sn₆ — известен давно. Это тяжёлофермионное соединение, где электроны ведут себя так, будто их масса в сотни раз больше обычной. Предыдущие исследования показали, что этот материал демонстрирует признаки квантовой критичности Кондо-разрушения — особого типа фазового перехода, где локализованные магнитные моменты теряют связь с электронами проводимости.
Проще говоря, CeRu₄Sn₆ — это квантовый кризис среднего возраста в кристаллической форме.
Материал, который не читал учебники
Исследователи измерили так называемый спонтанный эффект Холла — поперечное напряжение, возникающее без внешнего магнитного поля. Это один из фирменных признаков вейлевско-кондовского полуметалла, теоретически предсказанного для материалов с сильными корреляциями и нарушенной инверсионной симметрией.
CeRu₄Sn₆ кристаллизуется в тетрагональной структуре без центра инверсии — важное условие для вейлевской физики. Теоретические расчёты методом функционала плотности предсказывали существование узлов Вейля вблизи уровня Ферми. Но одновременно материал демонстрировал скейлинг магнитной восприимчивости, характерный для квантовой критичности. Два взаимоисключающих параграфа в одном кристалле.
Эксперимент показал: ниже одного кельвина в CeRu₄Sn₆ появляется спонтанный холловский сигнал. Величина холловского угла — отношение холловской проводимости к продольной — составила около 1,3%. Это в сто раз больше, чем теоретически ожидается для классического вейлевского полуметалла типа TaAs с искусственно сдвинутым уровнем Ферми.
Но самое интересное обнаружилось при изменении внешних параметров.
Купол посреди пустыни
Когда исследователи начали прикладывать давление и магнитное поле, выяснилась поразительная вещь. Вейлевско-кондовская фаза не просто существует — она образует купол вокруг квантовой критической точки. При увеличении давления сигнал слабеет. При увеличении магнитного поля — тоже. Максимум приходится на нулевое давление и нулевое поле, то есть ровно туда, где квантовая критичность наиболее выражена.
Это в точности повторяет поведение эмерджентной сверхпроводимости — явления, при котором сверхпроводящая фаза возникает как «побочный продукт» квантовых флуктуаций вблизи фазового перехода. Только вместо сверхпроводимости мы получаем топологическую фазу.
Теоретики из команды предложили объяснение. Оказывается, даже когда квазичастицы разрушены, функция Грина системы — математический объект, описывающий распространение возбуждений — сохраняет симметрийные свойства. Собственные функции этой функции Грина образуют представление пространственной группы кристалла, точно так же, как блоховские функции в обычных материалах. И в определённых точках зоны Бриллюэна эти собственные функции обязаны пересекаться — по требованиям симметрии.
Пересечение спектральных функций — это и есть топологический узел без квазичастиц. Математически строго. Экспериментально измеримо. Концептуально сногсшибательно.
Хаос как строительный материал
Что всё это значит для физики в целом? Как минимум три вещи.
Во-первых, появился новый принцип проектирования топологических материалов. Раньше искали системы с правильной симметрией и подходящей зонной структурой. Теперь можно искать системы вблизи квантовых критических точек — и ожидать, что топология возникнет сама. Это радикально расширяет пространство поиска.
Во-вторых, выясняется, что неферми-жидкостное состояние — не враг топологии, а её союзник. Квантовые флуктуации не разрушают топологическую защиту, а каким-то образом её стабилизируют. Механизм пока не до конца понятен, но факт налицо.
В-третьих, и это самое философски интересное: мы видим, как порядок рождается из беспорядка на фундаментальном уровне. Не метафорически, а буквально. Система без определённых частиц порождает фазу с определённой топологией. Хаос квантовых флуктуаций кристаллизуется в защищённую структуру.
Это напоминает старую идею о том, что сложность возникает на границе между порядком и хаосом — только теперь эта идея получила конкретное воплощение в низкотемпературной физике. Вейлевско-кондовский полуметалл существует именно потому, что система находится на грани. Сдвиньте её в любую сторону — давлением или полем — и магия исчезает.
Авторы работы предполагают, что подобные эмерджентные топологические фазы могут быть не уникальны для CeRu₄Sn₆. Если квантовая критичность способна нуклеировать топологию в одном материале, почему бы ей не делать это в других? Возможно, мы стоим на пороге открытия целого класса новых состояний материи, которые прятались у нас под носом — в тех самых «неудобных» системах, которые физики раньше обходили стороной из-за их сложности.
Когда хаос становится чертежом
Наука регулярно преподносит сюрпризы, но этот — из разряда особых. Работа Киршбаума, Чена и коллег не просто описывает новый материал или новый эффект. Она меняет саму логику поиска экзотических квантовых состояний.
Десятилетиями физики искали топологические материалы среди «хорошо себя ведущих» систем — там, где зонная теория работает, квазичастицы определены, расчёты из первых принципов дают надёжные предсказания. Оказалось, что самое интересное спрятано в противоположном углу — там, где теория ломается, частицы расплываются, а привычные понятия теряют смысл.
Вейлевско-кондовский полуметалл в CeRu₄Sn₆ — это не аномалия, которую нужно объяснить и забыть. Это указатель направления. Квантовый хаос, как выяснилось, не уничтожает структуру — он её создаёт. И возможно, самые удивительные состояния материи ещё ждут своего открытия именно там, где мы меньше всего ожидали их найти: в самом сердце беспорядка.