Физики обнаружили новый квантовый материал

Международная команда физиков обнаружила материал, который обладает уникальными квантовыми свойствами. Практическое применение этого полуметалла может значительно продвинуть вперед квантовые разработки.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances, а краткий отчет о нем можно найти на сайте Венского технологического университета. В работе также принимали участие ученые из Университетом Джона Хопкинса, Национального института стандартов и технологий и Университета Райса.

Авторы статьи пишут, что им удалось обнаружить новый квантовый материал. Он представляет собой соединение церия, рутения и олова. Такой вид материалов называют полуметаллами, так как они обладают свойствами, находящимися между свойствами металлов и полупроводников.

"Обычно нужно много работать, чтобы создать подходящие лабораторные условия, но этот полуметалл сам по себе обеспечивает квантовую критичность, - говорит соавтор исследования Уэсли Фурман. - Удивительно, но наш полуметалл оказался квантово-критичным без каких-либо внешних воздействий".

Авторы отмечают, что обычно квантовая критичность может быть создана только при очень специфических условиях окружающей среды - определенном давлении или электромагнитном поле. Поясним, что это такое. В повседневной жизни фазовые переходы обычно связаны с изменениями температуры. В качестве примера ученые приводят кубик льда, который в тепле начинает таять.

Однако науке известны и другие типы фазовых переходов, которые зависят от других параметров, например, магнитного поля. Изучение природы фазовых переходов помогает определять, какими квантовыми свойствами обладает тот или иной материал. Особенно интересно, когда они происходят непосредственно в точке абсолютного нуля. Такие процессы называются "квантовыми фазовыми переходами" или "квантовыми критическими точками".

Именно такая квантовая критическая точка и была обнаружена в новом материале, причем, как подчеркивают исследователи, в необычно первозданной форме. Свойства этого материала теперь исследуются. Предполагается, что этот материал может быть так называемым полуметаллом Вейля-Кондо.

Считается, что из-за своих особых квантовых состояний он обладает огромным потенциалом для практического применения, в том числе для разработки квантовых технологий. Если это предположение найдет подтверждение, то в сфере квантовых технологий будет совершен прорыв. Но в любом случае "квантовая критичность" стала теперь проще для понимания.

"Обычно квантовое критическое поведение изучают в металлах или изоляторах, но теперь мы рассмотрели полуметалл, - говорит профессор Силке Бюлер-Пашен из Института физики твердого тела в Венском университете. - Это сильно коррелированная электронная система. Это означает, что электроны мощно взаимодействуют друг с другом. Невозможно объяснить их поведение, рассматривая эти электроны по отдельности".

По его словам, описанное электронное взаимодействие приводит к так называемому эффекту Кондо. Если свободных электронов относительно мало, как в случае полуметалла, то эффект Кондо нестабилен. Это может быть причиной квантового критического поведения материала: система колеблется между состоянием с эффектом Кондо и состоянием без эффекта Кондо, что приводит к эффекту фазового перехода при нулевой температуре.

Важность открытия, по мнению его авторов, заключается еще и в том, что основанные на нем будущие эксперименты способны подтвердить существование теоретически предсказанных "фермионов Вейля". А это, в свою очередь, может помочь в разработке новых высокотемпературных сверхпроводников.