Физики открыли новое квантовое состояние материи для технологий будущего
Исследователи Университета Райса под руководством Цимяо Си обнаружили уникальное квантовое состояние материи, способное объединять две ключевые области физики: квантовую критичность и электронную топологию. Открытие, опубликованное в Nature Physics, может стать основой для создания новых квантовых устройств, включая сверхточные сенсоры, энергоэффективные вычислительные системы и новые материалы.
«Это фундаментальный шаг вперед. Наша работа показывает, что сильные квантовые эффекты могут взаимодействовать и создавать совершенно новые свойства, которые открывают дорогу для будущих технологий», — отмечает Си, профессор физики и астрономии имени Гарри К. и Ольги К. Вайс.
Квантовая критичность и топология
Квантовая критичность описывает поведение электронов, когда они флуктуируют между различными фазами, как вода на грани замерзания или кипения. Топология в квантовой физике изучает устойчивые конфигурации волновой функции электронов, которые сохраняются при изменении структуры материала. Раньше эти явления изучались отдельно: топологию находили в материалах со слабыми взаимодействиями, а критичность — в системах с сильно коррелированными электронами.
Команда Си предложила теоретическую модель, объединяющую эти эффекты. Они показали, что сильное взаимодействие между электронами может инициировать топологическое поведение, создавая гибридное состояние.
«Мы были удивлены, что квантовая критичность сама по себе может порождать топологические эффекты при сильных взаимодействиях», — говорит Лей Чен, аспирант Университета Райса и соавтор работы.
Экспериментальное подтверждение
Теоретические выводы подтвердили экспериментаторы из Венского технического университета под руководством Сильке Пашен. Они изучали материал с тяжелыми фермионами — электроны в нем ведут себя как значительно более массивные частицы из-за взаимодействий. Наблюдаемое поведение совпало с предсказаниями теоретической группы и показало признаки нового топологического квантового состояния.
Потенциал для технологий
Объединение квантовой критичности и топологии открывает возможности для разработки квантовых технологий. Топологические свойства обеспечивают устойчивость к внешним воздействиям, а критичность усиливает квантовую запутанность, что делает системы более чувствительными и управляемыми. Это важно для сенсоров, сверхпроводников и маломощных вычислительных устройств.
«Наши результаты восполняют пробел в физике конденсированных сред. Сильные электронные взаимодействия не разрушают топологические свойства, а могут их создавать. Это открывает новое состояние, которое имеет практическое значение для технологий», — поясняет Си.
Как это поможет создавать новые материалы
Открытие позволяет систематически искать или проектировать материалы, находящиеся в квантовой критической точке и способные формировать топологические структуры. Такой подход дает ученым инструмент для разработки материалов с предсказуемыми квантовыми свойствами и потенциально улучшенными характеристиками для электроники и сенсорики.
«Понимание того, где искать эти эффекты, дает нам возможность перехода от теории к реальным технологиям, основанным на фундаментальной квантовой физике», — добавляет Си.
