Хиральные фононы: как они меняют правила игры в квантовой механике и открывают дверь в новый мир материалов

Как известно, квантовая механика описывает поведение частиц на микроскопическом уровне, где обычные законы физики не работают. Однако, существуют некоторые явления, которые могут проявляться и на макроскопическом уровне, если создать специальные условия. Одно из таких явлений — это сверхпроводимость, когда материал при определенной температуре теряет сопротивление электрическому току. Сверхпроводимость имеет огромное практическое значение, так как позволяет передавать энергию без потерь, создавать мощные магниты и развивать квантовые технологии.

Однако, для достижения сверхпроводимости обычно требуется очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю (-273 градуса по Цельсию). Поэтому, одной из главных задач современной науки является поиск материалов, которые могут становиться сверхпроводниками при более высоких температурах. И вот, ученые из Университета Калифорнии в Беркли и Лоуренсовской национальной лаборатории сделали прорыв в этом направлении, используя новый подход, основанный на хиральных фононах.

Фононы — это кванты звуковых волн, которые распространяются в твердых телах. Фононы влияют на тепловые и электрические свойства материалов, а также на взаимодействие между электронами. Хиральные фононы — это особый вид фононов, которые имеют определенное направление вращения, или хиральность. Хиральность — это свойство, когда объект не может быть совмещен со своим зеркальным отражением, например, левая и правая руки человека.

Ученые обнаружили, что хиральные фононы могут вызывать необычный эффект, называемый квантовой аномальной холловской эффект, когда в материале возникает перпендикулярное к току напряжение, даже если нет магнитного поля. Этот эффект связан с тем, что хиральные фононы нарушают инверсию и симметрию времени в материале, то есть делают его несимметричным относительно отражения и обращения времени. Это, в свою очередь, влияет на поведение электронов и их спинов — квантовых магнитных моментов.

Ученые показали, что квантовый аномальный холловский эффект может приводить к возникновению сверхпроводящих пар — состояний, когда два электрона с противоположными спинами связываются друг с другом и могут свободно перемещаться по материалу без сопротивления. Таким образом, хиральные фононы могут стимулировать сверхпроводимость при более высоких температурах, чем обычно.

Это открытие открывает новые перспективы для создания и изучения сверхпроводников нового поколения, которые могут работать при комнатной температуре и без магнитного поля. Такие сверхпроводники могут революционизировать области энергетики, транспорта, медицины и квантовой информатики, а также помочь понять глубинные законы природы.