Учените са открили досега немислимо състояние на материята, което оспорва десетилетия наред приети предположения за поведението на електроните, отваряйки нови възможности за квантови изчисления, сензори и съвременни материали.

Откритието е направено от изследователи от Виенския технологичен университет в Австрия, които са работили съвместно с теоретици от университета "Райс" в Тексас. То показва, че топологичните състояния могат да се образуват дори когато електроните вече не се държат като добре дефинирани частици, противно на дългогодишните научни убеждения.

Топологията, която е концепция, заимствана от математиката, описва свойства, които остават непроменени въпреки деформациите. Във физиката топологичните материали са ценени, защото тяхното електронно поведение е необичайно устойчиво. Това ги прави привлекателни за нискоенергийната електроника и квантовите технологии.

Доскоро се смяташе, че такива състояния зависят от електроните, които се държат като идентифицируеми частици с ясни скорости и енергии. Това мнение обаче вече е опровергано от експериментални доказателства.

За изследването учените са използвали материал, съставен от церий, рутений и калай (CeRu₄Sn₆). След това са оценили поведението му при температури, по-ниски от един градус над абсолютната нула (0 Келвин, или -273.15 градуса Целзий).

Според Диана Киршбаум, изследователка в австрийския университет и първа авторка на проучването, материалът проявява специфичен тип квантово-критично поведение, когато е изложен на температури, близки до абсолютната нула.

„Материалът колебае между две различни състояния, сякаш не може да реши кое от двете да приеме“, обяснява тя. „В този колебателен режим се смята, че картината на квазичастиците губи смисъла си.“

При изключително ниски температури екипът открил ясен топологичен сигнал под формата на спонтанен или аномален ефект на Хол. При ефекта на Хол носителите на заряд обикновено се отклоняват от магнитното поле.

В настоящия случай отклонението се появило без никакво външно поле, което било несъмнен признак за топологично поведение. Носителите на заряд се държали като частици, въпреки че обичайният модел на частиците вече не се прилагал в този материал.

Изненадващо ефектът беше най-силен точно там, където квантовите флуктуации бяха най-интензивни. „Когато тези флуктуации се потискат от налягане или магнитни полета, топологичните свойства изчезват“, продължава Киршбаум.

Според учените резултатът е бил голяма изненада и показва, че топологичните състояния трябва да бъдат дефинирани в по-широк смисъл. Всъщност се оказва, че не е необходима картина на частиците, за да се генерират топологични свойства. Концепцията наистина може да бъде обобщена – тогава топологичните различия се появяват по по-абстрактен, математически начин. Експериментите допълнително показаха, че топологичните свойства могат да се появят дори при липса на частичноподобни състояния. Новооткритото състояние, което екипът нарича новопоявил се топологичен полуметал, беше подкрепено и от теоретична работа, извършена в сътрудничество с Райс Университет в Тексас.

Сега откритието предлага практичен план за намиране на нови топологични материали. Квантово-критичното поведение вече е известно в много класове съединения и е относително лесно да се идентифицира експериментално.

Снимка: Pexels/Vienna University of Technology

Виж още: Във време на главоломни скокове на цените следващият Google Pixel ще бъде по-евтин и по-цветен