Учёные открыли топологический экситонный изолятор с регулируемым импульсным порядком

Художественная иллюстрация топологического экситонного изолятора: экситоны конденсируются в объёме материала, формируя коллективную изолирующую фазу, в то время как топологически защищённые краевые моды свободно распространяются вдоль границы образца. Автор: Мд Шафаят Хоссейн

Топологические материалы — это класс материалов, обладающих уникальными электронными свойствами на своих границах (поверхность в 3D-материалах, край в 2D-материалах), которые устойчивы к дефектам или внешним воздействиям и радикально отличаются от свойств их объёма. Другими словами, такие материалы могут быть изоляторами (то есть препятствовать потоку электронов или тепла), но при этом проводить электричество или тепло на своих границах.

Топологические фазы в материалах возникают из-за их квантовых свойств, которые, в свою очередь, зависят от симметрии, структуры электронных энергетических зон и взаимодействий. До сих пор было обнаружено лишь несколько топологических фаз, возникающих в результате спонтанного нарушения симметрии — процесса, при котором основное состояние материала (то есть состояние с наименьшей энергией) обладает меньшей симметрией, чем при высоких температурах.

Исследователи из Принстонского университета, Пекинского технологического института, Цюрихского университета, Национальной лаборатории магнитов и других институтов недавно обнаружили одну из таких фаз, вызванных нарушением симметрии, а именно топологическую экситонную изолирующую фазу в соединении Ta₂Pd₃Te₅.

Их наблюдения, изложенные в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, могут открыть новые возможности для изучения и создания квантовых фаз в твёрдотельных системах, что, в свою очередь, может способствовать развитию квантовых технологий, спинтронных и экситонных устройств.

«Конкуренция или взаимодействие между различными порядками часто приводит к возникновению новых квантовых фаз», — пояснил Мд Шафаят Хоссейн, ведущий автор исследования. «Например, в высокотемпературных сверхпроводниках и скрученном двухслойном графене богатый ландшафт зарядовых и спиновых порядков, возникающих из-за спонтанного нарушения симметрии, дал новые представления о поведении коррелированных электронов. Мы искали платформы, где электронная топология могла бы взаимодействовать с такими порядками».

Основная цель исследования Хоссейна и его коллег заключалась в том, чтобы лучше понять, как топологические свойства материалов реагируют на появление дополнительных нарушений симметрии. Для этого они использовали метод сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), чтобы изучить топологические фазы, вызванные нарушением симметрии, в соединении Ta₂Pd₃Te₅.

«Измерения СТМ показали образование изолирующей энергетической щели при охлаждении материала ниже 100 К», — объяснил Хоссейн. «Дополнительные исследования с помощью углового разрешения фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES) подтвердили, что эта щель возникает из-за экситонной конденсации с нулевым импульсом, что нарушает зеркальные симметрии материала.

Экситонная изолирующая фаза — это квантовая фаза вещества, характеризующаяся коллективным изолирующим состоянием, вызванным спонтанным образованием экситонов (пар электрон-дырка). Эта фаза долгое время существовала лишь в теории, но до сих пор оставалась крайне неуловимой и сложной для экспериментального наблюдения.

Работа Хоссейна и его коллег предоставила доказательства существования экситонной изолирующей фазы в Ta₂Pd₃Te₅, но с дополнительным нюансом: эта фаза сосуществует с нетривиальной электронной топологией материала (то есть с уже наблюдаемой топологической фазой).

«До сих пор ни один материал не демонстрировал одновременно сильные экситонные корреляции и топологическую зонную структуру в одной квантовой фазе», — отметил Юйсяо Цзян, соавтор исследования. «Большинство предполагаемых кандидатов страдают от осложнений, таких как структурные искажения, которые маскируют признаки экситонного изолятора. Впервые мы видим, как топология и экситонные корреляции взаимодействуют в объёмном 3D-материале».

Исследователи также обнаружили вторую экситонную нестабильность, которая нарушает трансляционную симметрию кристалла и создаёт сверхрешётчатую модуляцию в реальном пространстве. Этот конденсат с конечным импульсом возникает одновременно с экситонной фазой с нулевым импульсом, что ранее не наблюдалось ни в одной другой системе.

Открытие может стать важным шагом в разработке новых технологий, включая электронику без диссипации, компоненты квантовых компьютеров и электрически настраиваемые оптические устройства.

«Наше открытие может открыть новое направление в исследованиях квантовых материалов», — добавил Хоссейн. «Это похоже на обнаружение экзопланеты с водой — если одна существует, вероятно, есть и другие, ожидающие своего открытия».

Дополнительная информация: Мд Шафаят Хоссейн и др., Topological excitonic insulator with tunable momentum order, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02917-6