Novo stanje materije otkriveno u kvantnom materijalu

Istraživači sa Univerziteta za tehnologiju u Beču otkrili su stanje u kvantnom materijalu koje se smatralo nemogućim. Definicija topoloških stanja bi trebalo da bude generalizovana.

Kvantna fizika nam kaže da se čestice ponašaju kao talasi i da je stoga njihova pozicija u prostoru nepoznata. Ipak, u mnogim situacijama, i dalje je izuzetno korisno razmišljati o česticama na klasičan način — kao sićušnim objektima koji se kreću od mesta do mesta određenom brzinom.

Preporučujemo

Kad fizičari opisuju kako električna struja protiče kroz metale, na primer, zamišljaju elektrone koji jure kroz materijal i koji ubrzavaju ili skreću pod uticajem elektromagnetnih polja.

Čak su i moderniji pristupi zasnovani na ovoj slici čestica — kao što je koncept topoloških stanja, čije otkriće je nagrađeno Nobelovom nagradom za fiziku 2016. Međutim, postoje materijali u kojima se ova slika čestica potpuno raspada. U takvim slučajevima, više nema smisla razmišljati o elektronima kao malim česticama sa dobro definisanom pozicijom ili specifičnom brzinom.

Sad su istraživači sa Univerziteta za tehnologiju u Beču pokazali da takvi materijali ipak mogu pokazivati topološka svojstva — iako su dosad objašnjavana pomoću ponašanja nalik česticama. Ovo demonstrira da su topološka stanja generalnija nego što se ranije mislilo: dva naizgled kontradiktorna koncepta ispostavljaju se kao kompatibilna.

„Klasična slika elektrona kao malih čestica koje doživljavaju sudare dok prolaze kroz materijal kao električna struja je iznenađujuće moćna. Uz određena usavršavanja, funkcioniše čak i u složenim materijalima gde elektroni snažno reaguju jedan s drugim“, kažu naučnici.

Međutim, postoje i situacije u kojima izgleda da se ova slika potpuno raspada i nosioci naelektrisanja gube svoj karakter čestica. Izgleda da se to dešava u materijalu sastavljenom od cerijuma, rutenijuma i kalaja (CeRu₄Sn₆), koji je sad istražen na ekstremno niskim temperaturama.

„Blizu apsolutne nule, ovaj materijal pokazuje specifičnu vrstu kvantno-kritičnog ponašanja. Materijal fluktuira između dva različita stanja, kao da ne može da odluči koje od njih želi da usvoji. U ovom fluktuirajućem režimu, smatra se da slika kvazičestica gubi značenje“, kažu autori studije.

Nezavisno od ovog otkrića, materijal je takođe ispitan teorijski, što je dovelo do zaključka da bi trebalo da bude domaćin topološkim stanjima.

„Termin topologija dolazi iz matematike, gde se koristi za razlikovanje određenih geometrijskih struktura“, objašnjavaju istraživači. „Na primer, jabuka je topološki ekvivalentna hlebnoj rolni, jer se ta rolna može kontinuirano deformisati u oblik jabuke. Međutim, rolna je topološki različita od krofne, jer krofna ima rupu koja se ne može stvoriti kontinuiranom deformacijom“.

Na sličan način, mogu se opisati stanja materije: brzine i energije čestica — čak i orijentacija njihovog spina u odnosu na pravac njihovog kretanja — mogu pratiti specifična geometrijska pravila. Ovo je naročito uzbudljivo jer čini topološka svojstva veoma moćnim.

Mali poremećaji, kao što su defekti u materijalu, ne menjaju ova svojstva — kao što male deformacije ne mogu pretvoriti krofnu u jabuku. Zbog ovoga su topološki efekti od velikog interesa za skladištenje kvantnih informacija, u novim tipovima senzora i usmeravanju električnih struja bez magnetnih polja.

Koliko god se opis ponašanja čestica pomoću topologije može činiti apstraktnim i nejasnim, takvi opisi su tradicionalno još uvek indirektno oslonjeni na klasičnu sliku čestica. Ove teorije pretpostavljaju da se opisuje nešto sa dobro definisanim brzinama i energijama.

„Međutim, izgleda da takve dobro definisane brzine i energije ne postoje u našem materijalu, pošto ispoljava oblik kvantno-kritičnog ponašanja za koje se smatra da nije kompatibilno sa slikom čestica. Ipak, jednostavni teorijski pristupi koji zanemaruju ove osobine različite od čestičnih predvideli su ranije da bi materijal trebalo da pokazuje topološke karakteristike“, kažu naučnici.

Ovo je predstavljalo očiglednu kontradikciju. Na kraju je radoznalost prevladala i počela da potraga za eksperimentalnim dokazima topoloških stanja.

Zaista, pri ekstremno niskim temperaturama —manje od jednog stepena iznad apsolutne nule — osmotreno je ponašanje koje jasno ukazuje na prisustvo topoloških stanja: spontani (anomalni) Holov efekat. U Holovom efektu, nosioci naelektrisanja obično skreću pod uticajem magnetnog polja. Međutim, ovo skretanje može nastati i zbog topoloških efekata, čak i u odsustvu spoljnog magnetnog polja.

Posebno izuzetno je to što se nosioci naelektrisanja ponašaju kao da su čestice, iako se čini da slika čestica nije odgovarajuća za ovaj materijal. To je bio ključni uvid koji je omogućio da se bez sumnje pokaže da preovlađujuće gledište mora biti revidirano.

„Osim toga, topološki efekat je najsnažniji tačno tamo gde materijal ispoljava najveće fluktuacije. Kad se ove fluktuacije suzbiju pritiskom ili magnetnim poljima, topološka svojstva nestaju“, kažu istraživači.

„Ovo je bilo ogromno iznenađenje – pokazuje da topološka stanja treba definisati u generalizovanim terminima“.

Novootkriveno stanje nazivaju „emergentni topološki semimetal“. U saradnji sa Univerzitetom Rajs u Teksasu razvijen je novi teorijski model sposoban da kombinuje fenomene kvantne kritičnosti i topologije.

„Zapravo, ispostavlja se da slika čestica nije potrebna za generisanje topoloških svojstava“, kažu naučnici. „Koncept se zaista može generalizovati — topološke razlike se tada pojavljuju na apstraktniji, matematički način. Štaviše, naši eksperimenti sugerišu da topološka svojstva mogu čak nastati zato što stanja nalik česticama nisu prisutna“.

Otkriće ima značajne praktične implikacije, pošto ukazuje na novu strategiju za identifikaciju topoloških materijala.

„Sad znamo da je vredno — možda čak i posebno vredno — tražiti topološka svojstva u kvantno-kritičnim materijalima. Pošto se kvantno-kritično ponašanje dešava u mnogim klasama materijala i može se pouzdano identifikovati, ova veza može omogućiti otkrivanje mnogih novih 'emergentnih' topoloških materijala“, kažu autori.

(Telegraf Nauka/Phys.org)