В квантовой физике частицы – это не твердые шарики с четким местоположением. Они больше похожи на волны, чью точную позицию в пространстве нельзя определить. Тем не менее в большинстве случаев ученые могут описывать их классическим способом: как крошечные объекты, движущиеся с определенной скоростью. Такой подход отлично работает, например, для объяснения электрического тока в металлах, который представляют как поток электронов, подталкиваемых электромагнитными силами.
Даже многие современные теории, включая концепцию топологических состояний материи, открытие которых было отмечено Нобелевской премией по физике в 2016 году, опираются на это представление об электронах как о частицах с определенной траекторией. Однако недавно исследователи из Венского технического университета (TU Wien) обнаружили, что эта картина применима не ко всем материалам. В некоторых случаях электроны перестают вести себя как отдельные частицы с ясной позицией или скоростью, но при этом материал все равно демонстрирует удивительные топологические свойства.
«Классическая картина электронов как маленьких частиц, сталкивающихся друг с другом при движении, на удивление надежна», – говорит профессор Зильке Бюлер-Пашен из Института физики твердого тела TU Wien. Но существуют и крайние случаи, когда это описание полностью рушится. Ученые столкнулись с таким поведением, изучая соединение церия, рутения и олова (CeRu₄Sn₆) при температурах, близких к абсолютному нулю. В этих условиях носители заряда теряют свою «личностную» природу частиц.
По словам Дианы Киршбаум, первого автора публикации, вблизи абсолютного нуля материал проявляет квантово-критическое поведение. «Он как будто колеблется между двумя разными состояниями, не в силах выбрать одно из них, – объясняет она. – Считается, что в этом режиме флуктуаций представление о квазичастицах теряет смысл». Одновременно с этим теория предсказывала, что именно в этом материале могут существовать топологические состояния, что создавало явное противоречие.
Термин «топология» пришел из математики и используется для классификации геометрических форм. «Например, яблоко топологически эквивалентно булочке, потому что булочку можно плавно деформировать в форму яблока. Но булочка отличается от пончика, у которого есть отверстие, – его нельзя создать плавной деформацией», – поясняет Бюлер-Пашен. Физики используют похожие идеи для описания состояний материи. Некоторые их свойства оказываются невероятно стабильными: мелкие дефекты материала не могут их разрушить, так же как небольшие изменения формы не превратят пончик в булочку. Эта стабильность делает топологические эффекты привлекательными для квантовых компьютеров и новых технологий.
Несмотря на существующее противоречие, команда ученых решила проверить теоретическое предсказание экспериментально. При температуре менее одного градуса выше абсолютного нуля Диана Киршбаум зафиксировала четкий сигнал – спонтанный эффект Холла. Это явление обычно возникает, когда магнитное поле отклоняет носители заряда, но в данном случае оно проявилось без всякого внешнего поля, что является признаком внутренней топологии материала. Удивительно, но эффект был наиболее сильным именно там, где материал демонстрировал максимальные флуктуации и где представление о частицах не работало.
Это открытие заставило пересмотреть устоявшиеся взгляды. «Оказалось, что для возникновения топологических свойств вовсе не требуется картина частиц, – говорит Бюлер-Пашен. – Наши эксперименты показывают, что топологические свойства могут возникать даже благодаря отсутствию состояний, похожих на частицы». Это открытие не только расширяет фундаментальное понимание материи, но и открывает новый путь для поиска квантовых материалов. Теперь ученые знают, что стоит обращать особое внимание на системы с квантово-критическим поведением, так как именно в них могут скрываться новые, еще не открытые «эмерджентные» топологические материалы.
