Исследователи нашли новый квантовый материал25.05.2021 12:48

Группа исследователей из Венского технического университета совместно с Университетом Джона Хопкинса, Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом Райса натолкнулась на удивительную форму «квантовой критичности» (критического поведения около квантовой критической точки). Это открытие может привести к разработке концепции новых материалов.

В повседневной жизни фазовые переходы обычно связаны с изменениями температуры —например, когда кубик льда нагревается и тает. Но есть также типы фазовых переходов в зависимости от других параметров, таких как магнитное поле.

Фазовые переходы для понимания квантовых свойств материалов особенно интересны, когда они происходят в точке абсолютного нуля температуры. Их еще называют «квантовыми критическими точками». Такая квантовая критическая точка была обнаружена австрийско-американской исследовательской группой в новом материале. Его свойства пока исследуются. Предполагается, что этот материал может быть так называемым полуметаллом Вейля-Кондо, который, как считается, имеет большой потенциал для квантовой технологии из-за особых квантовых состояний. Если его свойства подтвердятся, то может быть найден ключ к разработке топологических квантовых материалов.

Исследователи отметили, что обычно квантовое критическое поведение изучают в металлах или изоляторах, но они решили рассмотреть полуметалл. Этот материал представляет собой соединение церия, рутения и олова — со свойствами, которые находятся между свойствами металлов и полупроводников.

Как правило, квантовая критичность проявляется при очень специфических условиях окружающей среды — определенном давлении или электромагнитном поле. Но выбранный полуметалл продемонстрировал это состояние без каких-либо внешних воздействий.

Этот результат, вероятно, связан с тем, что электроны в материале ведут себя особым образом. «Электроны сильно взаимодействуют друг с другом, и вы не можете объяснить это поведение, глядя на них по отдельности», — отмечают авторы работы. — «Это электронное взаимодействие приводит к так называемому эффекту Кондо. Здесь квантовый спин в материале экранируется окружающими его электронами, так что он больше не влияет на остальной материал».

Если свободных электронов относительно мало, как в случае полуметалла, то этот эффект нестабилен. Это могло быть причиной квантового критического поведения материала: система колеблется между состоянием с эффектом Кондо и состоянием без эффекта Кондо.

Основная причина, по которой результат исследования имеет такое важное значение, заключается в том, что он, как предполагается, тесно связан с феноменом «фермионов Вейля». В твердых телах фермионы Вейля могут появляться в форме квазичастиц. Таким образом, они должны существовать и в этом материале, а квантовые критические флуктуации могут иметь стабилизирующий эффект на фермионы Вейля.

Исследователи предполагают, что определенные квантовые эффекты, а именно квантовые критические флуктуации, эффект Кондо и фермионы Вейля, вместе порождают экзотические состояния Вейля-Кондо. Это «топологические» состояния большой стабильности, которые, в отличие от других квантовых состояний, не могут быть легко разрушены внешним воздействием, что делает их особенно интересными для разработки квантовых компьютеров.

Команда ожидает, что подобное взаимодействие различных квантовых эффектов также можно привнести в другие материалы для их улучшения и адаптации для конкретных решений.