Удивительная физика. Ученые обнаружили новый квантовый материал с необычными свойствами

Данное открытие может привести к разработке концепции новых материалов, сообщает Scitechdaily

В повседневной жизни фазовые переходы обычно связаны с изменениями температуры, например, когда кубик льда нагревается и тает. Но есть также другие виды фазовых переходов, которые зависят от других параметров, таких как магнитное поле. Чтобы понять квантовые свойства материалов, фазовые переходы особенно интересны, когда они происходят непосредственно в точке абсолютного нуля температуры. Эти переходы называются "квантовыми фазовыми переходами" или "квантовыми критическими точками".

Такая квантовая критическая точка была обнаружена австрийско-американской исследовательской группой в новом материале в необычно чистой форме. Свойства этого материала в настоящее время исследуются.

Предполагается, что этот материал может быть так называемым полуметаллом Вейля-Кондо, который имеет большой потенциал для квантовой технологии из-за особых квантовых состояний.

Если данные подтвердятся, значит был найден ключ к целенаправленной разработке топологических квантовых материалов. Результаты исследований были получены в сотрудничестве между Венским техническим университетом, Университетом Джона Хопкинса, Национальным институтом стандартов и технологий США и Университетом Райса.

"Обычно квантовое критическое поведение изучается в металлах или изоляционных материалах. Но теперь мы обратили внимание на полуметалл", — говорит профессор Силке Бюлер-Пашен из Института физики твердого тела Венского технического университета. Этот материал представляет собой соединение церия, рутения и олова и имеет свойства металлов и полупроводников.

Обычно квантовая критичность может быть создана только в очень специфических условиях с наличием определенного давления или электромагнитного поля. "Удивительно, но наш полуметалл оказался квантово-критичным без каких-либо внешних воздействий", — говорит Уэсли Фурман, аспирант Университета Джонса Хопкинса.

"Обычно нужно хорошо поработать, чтобы создать подходящие лабораторные условия, но этот полуметалл сам по себе обеспечивает квантовую критичность".

Этот удивительный результат, вероятно, связан с тем, что поведение электронов в этом материале имеет некоторые особенности.

"Это сильно коррелированная система электронов. Электроны сильно взаимодействуют друг с другом, и вы не можете объяснить их поведение, рассматривая каждый по отдельности", — говорит Бюлер-Пашен. "Такое взаимодействие электронов приводит к так называемому эффекту Кондо. Квантовое вращение в материале экранируется окружающими его электронами, так что вращение больше не влияет на остальную часть материала".

Эффект Кондо нестабилен, если свободных электронов относительно мало, как у полуметалла. Это может быть причиной квантового критического поведения материала. Система меняется от состояния с эффектом Кондо до состояния без эффекта Кондо, и это имеет эффект фазового перехода при нулевой температуре.

Основная причина, по которой результат исследования имеет такое важное значение, состоит в том, что он, как предполагается, тесно связан с феноменом "фермионов Вейля".

В твердых телах фермионы Вейля могут появляться в форме квазичастиц, то есть в виде совместных возбуждений, таких как волны в пруду. В теории такие фермионы Вейля должны существовать в этом материале", — говорит физик-теоретик Цимиао Си из Университета Райса. Однако это нужно доказать в ходе экспериментов.

"Мы подозреваем, что наблюдаемая квантовая критичность способствует появлению таких фермионов Вейля", — говорит Силке Бюлер-Пашен. "Квантовые критические изменения могут иметь стабилизирующий эффект на фермионы Вейля, подобно квантовым критическим изменениям в высокотемпературных сверхпроводниках, удерживающих вместе сверхпроводящие Куперовские пары".

"Нам кажется, что определенные квантовые эффекты, а именно квантовые критические изменения, эффект Кондо и фермионы Вейля, тесно переплетены в недавно открытом материале и вместе порождают экзотические состояния Вейля-Кондо. Это состояния большой стабильности, которые, в отличие от других квантовых состояний, нельзя легко разрушить внешними факторами. Это делает их особенно интересными для квантовых компьютеров".

Чтобы убедиться правильности своих выводов, ученые проведут дальнейшие эксперименты под воздействием различных внешних условий. Ученые ожидают, что подобное взаимодействие различных квантовых эффектов можно найти и в других материалах.