Открыто новое состояние материи в квантовом материале

Исследователи из Венского технического университета (TU Wien) обнаружили в квантовом материале состояние, которое ранее считалось невозможным. Это открытие заставляет пересмотреть определение топологических состояний.

Сильке Бюлер-Пашен (слева), Диего Зокко и Диана Киршбаум. Автор: TU Wien

Работа опубликована в журнале Nature Physics.

В квантовой физике частицы ведут себя как волны, и их положение в пространстве не определено. Однако во многих ситуациях классическое представление о частицах как о крошечных объектах, движущихся с определённой скоростью, всё ещё работает. Но есть материалы, где эта картина полностью рушится.

Команда TU Wien показала, что такие материалы всё равно могут обладать топологическими свойствами, хотя до сих пор они объяснялись именно частицеподобным поведением. Это демонстрирует, что топологические состояния более универсальны, чем считалось.

Когда картина частиц теряет смысл

«Классическая картина электронов, сталкивающихся при протекании тока, удивительно устойчива, — говорит профессор Сильке Бюлер-Пашен. — Однако есть ситуации, где она полностью ломается, и носители заряда теряют частицеподобный характер».

Это происходит в материале из церия, рутения и олова (CeRu₄Sn₆), исследованном при температурах, близких к абсолютному нулю.

«Вблизи абсолютного нуля материал демонстрирует специфическое квантово-критическое поведение, — объясняет первый автор работы Диана Киршбаум. — Материал флуктуирует между двумя разными состояниями. В этом режиме флуктуаций картина квазичастиц, как считается, теряет смысл».

Обзор и характеристика CeRu₄Sn₆. Автор: Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-025-03135-w

Топология: булочки и пончики

Независимо от этого, теоретическое исследование материала привело к выводу, что в нём должны быть топологические состояния. «Термин "топология" пришёл из математики, где он используется для различения геометрических структур, — говорит Бюлер-Пашен. — Например, яблоко топологически эквивалентно булочке, но булочка топологически отличается от пончика, потому что у пончика есть отверстие».

Аналогично можно описывать состояния материи: скорости, энергии частиц и ориентация их спина могут следовать определённым геометрическим правилам. Такие топологические свойства очень устойчивы к малым возмущениям, что делает их интересными для квантовых вычислений и сенсоров.

Однако такие описания традиционно всё равно косвенно опирались на классическую картину частиц. «Эти теории предполагают описание чего-то с хорошо определёнными скоростями и энергиями, — объясняет Киршбаум. — Но таких хорошо определённых скоростей и энергий, кажется, не существует в нашем материале».

Любопытство окупилось

Это противоречие заставило команду сначала усомниться в теоретическом предсказании топологии. Но в итоге любопытство победило. При температурах менее одного градуса выше абсолютного нуля Диана Киршбаум наблюдала спонтанный (аномальный) эффект Холла, который явно указывает на наличие топологических состояний.

Особенно примечательно, что носители заряда ведут себя так, как если бы они были частицами, хотя картина частиц в этом материале, казалось бы, не работает. «Это было ключевое понимание, которое позволило нам доказать, что преобладающий взгляд должен быть пересмотрен», — говорит Бюлер-Пашен.

«И что ещё важнее, топологический эффект наиболее силён именно там, где материал демонстрирует наибольшие флуктуации. Когда эти флуктуации подавляются давлением или магнитными полями, топологические свойства исчезают», — добавляет Киршбаум.

Топологические состояния более универсальны, чем считалось

«Это был огромный сюрприз, — говорит Сильке Бюлер-Пашен. — Это показывает, что топологические состояния должны быть определены в более общих терминах».

Команда называет новое состояние «возникающим топологическим полуметаллом». Оказалось, что картина частиц не требуется для генерации топологических свойств. Концепция может быть обобщена — топологические различия возникают более абстрактным, математическим путём. Более того, эксперименты показывают, что топологические свойства могут возникать именно из-за отсутствия частицеподобных состояний.

Открытие имеет важное практическое значение, указывая на новую стратегию поиска топологических материалов. «Теперь мы знаем, что стоит — возможно, особенно стоит — искать топологические свойства в квантово-критических материалах, — говорит Бюлер-Пашен. — Поскольку квантово-критическое поведение встречается во многих классах материалов, эта связь может позволить открыть множество новых "возникающих" топологических материалов».