Физики открыли материал, работающий вопреки правилам квантовой теории: стабильность в нем рождается из хаоса

Фундаментальный постулат физики твердого тела, разделявший квантовый порядок и хаос, был экспериментально опровергнут. Международный научный коллектив продемонстрировал, что состояние квантовой критики — режим, в котором электроны теряют свойства частиц, — способно порождать устойчивую топологическую фазу. Согласно статье в журнале Nature Physics, это открытие не только разрешает давний теоретический парадокс, но и предлагает принципиально новую стратегию поиска материалов для будущих квантовых устройств.

До сих пор считалось, что топологические свойства, лежащие в основе разработки сверхстабильных кубитов, требуют наличия квазичастиц — условных «электронов» с четко определенными параметрами. Однако в состоянии квантовой критики, на границе между двумя фазами, эта картина рушится. Система превращается в «квантовую жидкость» с коллективными флуктуациями, где понятие отдельной частицы теряет смысл. Базовые модели предсказывали, что такой хаос должен уничтожать любые упорядоченные топологические структуры.

Чтобы проверить это противоречие, исследователи изучили соединение CeRu₄Sn₆ — тяжелофермионный полуметалл, который естественным образом находится в квантово-критическом состоянии при сверхнизких температурах. Проведя высокоточные измерения, команда обнаружила в материале явный признак топологии — спонтанный эффект Холла. Это возникновение поперечного электрического напряжения в отсутствие какого-либо внешнего магнитного поля, что является прямым свидетельством наличия в структуре материала так называемых узлов Вейля.

Ключевой результат, меняющий правила игры, заключается в том, что этот топологический сигнал достигал максимума именно в точке наивысших квантовых флуктуаций (p = B = 0). Более того, когда ученые пытались подавить этот «хаос» с помощью внешнего давления или магнитного поля, топологические свойства ослабевали и полностью исчезали. Это стало неопровержимым доказательством того, что квантовая критика не разрушает топологию, а, напротив, является ее источником. Стабильный порядок в данном случае эмерджентно возникает из коллективного хаотического состояния.

По сути, открытие предлагает новый, более эффективный «компас» для материаловедов. Вместо того чтобы вычислять сложные зонные структуры в поисках топологических сигнатур, теперь можно целенаправленно искать материалы, демонстрирующие квантово-критическое поведение. Поскольку такие системы уже хорошо изучены в контексте сверхпроводимости, новый подход может значительно ускорить открытие целого семейства ранее неизвестных топологических материалов.

Источник: Nature Physics