Электроны перестают вести себя как частицы, но законы физики остаются в силе
Даже когда электроны перестают вести себя как частицы, квантовые материалы всё равно могут открывать доступ к мощным топологическим состояниям.
Физики долгое время полагались на идею о том, что электроны ведут себя как крошечные частицы, перемещающиеся внутри материалов, хотя квантовая физика утверждает, что их точное положение принципиально неопределённо. Теперь исследователи из Венского технического университета обнаружили нечто удивительное: материал, в котором эта модель частиц полностью не работает, всё же может содержать экзотические топологические состояния — свойства, которые, как считалось ранее, зависят от поведения частиц.
Квантовая физика показывает, что частицы не ведут себя как твёрдые объекты с фиксированным местоположением. Вместо этого они ведут себя как волны, а это значит, что их точное положение в пространстве неизвестно. Тем не менее во многих повседневных ситуациях учёные могут описывать частицы привычным классическим способом. Они представляют их как крошечные объекты, движущиеся в пространстве с определённой скоростью.
Этот подход хорошо работает при объяснении того, как электрический ток проходит через металлы. Физики часто описывают электрический ток как электроны, движущиеся внутри материала под действием электромагнитных сил.
Почему модель частиц обычно работает
Многие современные теории также основаны на представлении о частицах, в том числе идея о топологических состояниях вещества. Эти состояния настолько важны, что за их открытие в 2016 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Несмотря на сложность математических выкладок, эти теории по-прежнему предполагают, что электроны ведут себя как частицы с определённым движением.
Однако исследователи обнаружили, что эта картина применима не ко всем материалам (см. публикацию ниже). В некоторых случаях электроны перестают вести себя как отдельные частицы с чётко определённым положением и скоростью.
Топология Без Частиц
Ученые из Венского технического университета продемонстрировали, что даже в тех случаях, когда модель с частицами не работает, материалы все равно могут проявлять топологические свойства. До сих пор считалось, что эти свойства зависят от поведения, характерного для частиц.
Это открытие позволяет сделать неожиданный вывод. Топологические состояния не ограничиваются системами, в которых электроны ведут себя как частицы. Напротив, эти состояния оказываются гораздо более универсальными и объединяют идеи, которые раньше казались несовместимыми.
Когда изображение частицы перестаёт иметь смысл
«Классическая картина, в которой электроны представляют собой мелкие частицы, сталкивающиеся друг с другом при прохождении через материал в виде электрического тока, на удивление устойчива, — говорит профессор Силке Бюлер-Пашен из Института физики твёрдого тела Венского технического университета. — С некоторыми поправками она работает даже в сложных материалах, где электроны сильно взаимодействуют друг с другом».
Однако существуют экстремальные случаи, когда такое описание не работает. В таких ситуациях носители заряда теряют свою корпускулярную природу. Такое поведение наблюдается в соединении церия, рутения и олова (CeRu₄Sn₆), которое исследователи из Венского технического университета изучали при экстремально низких температурах.
«При температуре, близкой к абсолютному нулю, он демонстрирует особый тип квантово-критического поведения, — говорит Диана Киршбаум, первый автор текущей публикации. — Материал колеблется между двумя разными состояниями, как будто не может решить, какое из них выбрать. Считается, что в этом колебательном режиме представление о квазичастицах теряет смысл».
Объяснение топологии на примере роллов и пончиков
В то же время теоретические исследования показали, что этот же материал может поддерживать топологические состояния. «Термин „топология“ пришёл из математики, где он используется для обозначения определённых геометрических структур», — объясняет Зильке Бюлер-Пашен.
«Например, яблоко топологически эквивалентно булочке, потому что булочку можно непрерывно деформировать, придав ей форму яблока. Однако булочка топологически отличается от пончика, потому что в пончике есть отверстие, которое нельзя создать путём непрерывной деформации.»
Физики используют схожие идеи для описания состояний вещества. Такие свойства, как энергия частиц, скорость и даже ориентация спина относительно движения, могут подчиняться строгим геометрическим закономерностям. Эти закономерности удивительно стабильны. Незначительные дефекты материала не разрушают их, точно так же как небольшие изменения формы не превращают пончик в яблоко.
Такая стабильность делает топологические эффекты особенно привлекательными для таких технологий, как квантовое хранение данных, усовершенствованные датчики и методы управления электрическими токами без использования магнитных полей.
Теория, которая не должна была сработать
Хотя топология может показаться абстрактной наукой, предыдущие теории всё же основывались на предположении, что частицы имеют чётко определённое движение. «Эти теории предполагают, что мы описываем нечто с чётко определёнными скоростями и энергиями», — объясняет Диана Киршбаум.
«Но в нашем материале, похоже, нет таких чётко определённых скоростей и энергий, потому что он демонстрирует квантово-критическое поведение, которое считается несовместимым с моделью частиц. Тем не менее, простые теоретические подходы, игнорирующие эти нехарактерные для частиц свойства, ранее предсказывали, что материал должен демонстрировать топологические характеристики».
Это привело к загадочному противоречию между теорией и физическим поведением.
Любопытство приводит к прорыву
Из-за этого конфликта команда Бюлера-Пашена поначалу не хотела продолжать работу над теоретическим предсказанием. Со временем любопытство взяло верх, и Диана Киршбаум начала искать экспериментальные признаки топологии.
При температуре менее чем на один градус выше абсолютного нуля она получила чёткий сигнал. В материале наблюдался спонтанный (аномальный) эффект Холла — явление, которое обычно возникает, когда носители заряда отклоняются магнитным полем.
Однако в данном случае отклонение возникло без какого-либо внешнего магнитного поля. Вместо этого оно было вызвано топологическими свойствами материала. Что ещё более поразительно, носители заряда вели себя как частицы, несмотря на убедительные доказательства того, что модель с частицами здесь неприменима.
«Это было ключевое открытие, которое позволило нам убедительно продемонстрировать, что общепринятая точка зрения должна быть пересмотрена», — говорит Зильке Бюлер-Пашен.
«И это ещё не всё, — добавляет Диана Киршбаум. — Топологический эффект наиболее силён именно там, где материал демонстрирует наибольшие флуктуации. Когда эти флуктуации подавляются давлением или магнитными полями, топологические свойства исчезают».
Более широкий взгляд на топологическую материю
«Это стало для нас огромным сюрпризом, — говорит Зильке Бюлер-Пашен. — Это показывает, что топологические состояния следует определять в обобщённых терминах».
Исследователи описывают недавно обнаруженную фазу как возникающий топологический полуметалл. Они работали вместе с коллегами из Университета Райса в Техасе, где Лэй Чен (соавтор публикации), член исследовательской группы профессора Цимяо Си, разработал теоретическую модель, которая успешно связывает квантовую критичность с топологией.
«На самом деле оказывается, что для возникновения топологических свойств не обязательно представлять частицы в виде частиц, — говорит Бюлер-Пашен. — Эту концепцию действительно можно обобщить — тогда топологические различия проявляются в более абстрактной, математической форме. Более того: наши эксперименты показывают, что топологические свойства могут возникать даже при отсутствии состояний, подобных частицам».
Новые пути в открытии квантовых материалов
Это открытие имеет и практическое значение. Оно предлагает новый способ поиска топологических материалов, основанный на изучении систем, демонстрирующих квантово-критическое поведение.
«Теперь мы знаем, что стоит — возможно, даже особенно стоит — искать топологические свойства в квантово-критических материалах, — говорит Бюлер-Пашен. — Поскольку квантово-критическое поведение наблюдается во многих классах материалов и его можно достоверно определить, эта связь может привести к открытию множества новых „возникающих“ топологических материалов».
Ссылка на журнал:
- Д. М. Киршбаум, Л. Чен, Д. А. Цокко, Х. Ху, Ф. Мацца, М. Карлих, М. Лужник, Д. Х. Нгуен, Х. Ларреа Хименес, А. М. Страйдом, Д. Адроя, Х. Ян, А. Прокофьев, Ц. Си, С. Пашен. Эмерджентный топологический полуметалл из квантовой критичности. Nature Physics, 2026; DOI: 10.1038/s41567-025-03135-w
Больше на COSMOFACT
Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.
