Новият дизайн на материята

Революционно откритие в квантовата физика поставя под въпрос фундаментални принципи за състоянията на материята. Международен изследователски екип, със сътрудници от Австрия и Съединените щати, демонстрира за първи път, че е възможно да се открият топологични свойства в материал, в квантово критично състояние. Режим, при който отделни частици или квазичастици престават да бъдат добре дефинирани. Това откритие, публикувано в престижното списание Nature Physics, налага теоретично предефиниране на това какво се разбира под „топологична фаза“ и отваря нов път за проектиране на материали с екзотични свойства. 

Изследването се фокусира върху съединението CeRu₄Sn₆, класифицирано като тежък фермионен полуметал. Когато този материал се охлади до изключително ниски температури, близки до абсолютната нула, той навлиза в квантово критично състояние.

В тази фаза преходите не се управляват от температурата, а от параметри като налягане или магнитно поле, и най-забележителното е, че квазичастиците – ключови обекти за описание на електронното поведение в твърдите тела – изчезват. Големият въпрос, който изследването разглежда, е как топологичните свойства, традиционно описвани с помощта на концепцията за дефинирани частици и електронни ленти, могат да съществуват в такава хаотична и делокализирана среда. 
 

Отговорът идва чрез ясно измерване, откриването на спонтанен ефект на Хол. Това явление, което генерира напречно напрежение в материала, без да е необходимо да се прилага външно магнитно поле, е характерна експериментална сигнатура за определени топологични състояния. В CeRu₄Sn₆ този ефект се появява именно в режим на ултраниска температура, свързан с квантовото критично състояние, потвърждавайки наличието на основен топологичен ред. Данните показват, че ефектът е присъщ на материала, а не експериментален артефакт, със сигнал сто пъти по-мощен от този, наблюдаван в други известни топологични материали.

Откритието предполага, че топологията може да бъде възникващо свойство, произтичащо от силните колективни взаимодействия и корелации между електроните, дори при липса на добре дефинирани индивидуални частици, които конвенционалната теория изисква. Изследователите предложиха нова теоретична рамка, която използва спектрални функции, а не концепцията за квазичастици, за да идентифицира топологични пресичания в системата. Този модел перфектно подкрепя експерименталните данни, показвайки, че топологичните възли, подобни на точките на Вейл, могат да се запазят в този размит квантов пейзаж. Откритието предполага, че екстремните флуктуации, характерни за квантова критична точка, не разрушават топологичния ред, а по-скоро може да са механизмът, който го стабилизира, образувайки „топологичен купол“ във фазовата диаграма на материала. 

Този напредък не е просто теоретично любопитство, той предефинира правилата за търсене на нови материали с топологични свойства. Той показва, че системи, показващи квантови фазови преходи, изучавани преди това за други явления, биха могли да съдържат скрити топологични фази. Това открива неизследван път за проектиране на квантови материали с потенциални приложения в технологии от следващо поколение, като спинтроника или отказоустойчиви квантови изчисления, където устойчивостта на топологичните състояния е безценна.