В статье в открытом доступе, опубликованной в Интернете в журнале Science Advances, исследователи из Университета Райса, Университета Джона Хопкинса, Венского технологического университета (TU Wien) и Национального института стандартов и технологий (NIST) представляют первые экспериментальные доказательства того, что квантовая критичность – неупорядоченное состояние, в котором электроны колеблются между конкурирующими состояниями порядка – может привести к появлению топологических фаз, «защищенных» квантовых состояний, которые вызывают растущий интерес для квантовых вычислений.
"Мысль, которая лежит в основе этой работы, звучит так:" Почему бы не квантовая критичность? "?’"сказал соавтор исследования Цимиао Си, физик-теоретик из Райса, который провел два десятилетия, изучая взаимодействие между квантовой критичностью и одним из самых загадочных процессов в современной физике, высокотемпературной сверхпроводимостью.
«Возможно, квантовая критичность – не единственный механизм, который может зарождать топологические фазы материи, но мы знаем, что квантовая критичность обеспечивает среду, в которой вещи флуктуируют и из которых могут возникать новые состояния материи», – сказал Си, директор Центра Райса. Квантовые материалы (RCQM).
В ходе исследования Си и его коллеги, в том числе экспериментатор Силке Бюлер-Пашен, давний сотрудник TU Wien, и Коллин Брохольм из NIST и Johns Hopkins, изучили полуметалл, состоящий из одной части церия, четырех частей рутения и шести частей олова. Топологические фазы не наблюдались в CeRu4Sn6, но он похож на ряд других материалов, в которых они наблюдались. И известно, что в нем присутствует эффект Кондо, сильное взаимодействие между магнитными моментами электронов, прикрепленных к атомам в металле, и спинами проходящих электронов проводимости.
В типичных металлах и полупроводниках взаимодействия между электронами настолько слабы, что инженерам и физикам не нужно принимать их во внимание при разработке компьютерного чипа или другого электронного устройства.
Иначе обстоит дело с «сильно коррелированными» материалами, такими как полуметаллы Кондо. В них общее поведение материала – и любого устройства, построенного из него, – зависит от электрон-электронного взаимодействия. И это взаимодействия, которые приводят к квантовой критичности.
В экспериментах в TU Wien и Центре нейтронных исследований NIST команда использовала измерения магнитной восприимчивости, теплоемкости и неупругого рассеяния нейтронов для определения квантового состояния CeRu4Sn6 при очень низких температурах.
Испытания показали, что материал квантово-критичен в своем исходном состоянии без необходимости какой-либо тонкой настройки.
Квантовая критичность возникает, когда сильно коррелированные материалы претерпевают фазовый переход при очень низких температурах. Превращение похоже на замерзание жидкой фазы воды в твердую фазу льда при температуре 32 градуса по Фаренгейту. Фазовые изменения в квантовых материалах также происходят при критических температурах, но фазы имеют квантовую природу.
По одну сторону от критической точки электроны упорядочены в одну сторону. С другой стороны, они расположены в другом порядке. В критической точке электроны непостоянны, они постоянно колеблются между конкурирующими порядками. Это квантовая критичность – исходное состояние, измеренное в CeRu4Sn6.
«Обычно вам нужно работать, чтобы достичь этого состояния», – сказал Вес Фурман, выпускник лаборатории Брохольма в Университете Джонса Хопкинса и один из ведущих авторов исследования. "Обнаружение этих колебаний похоже на попадание в цель, которая становится все меньше и меньше по мере того, как вы понижаете температуру. Здесь разбавленные электроны полуметалла, кажется, действуют как путеводители к квантовой критической точке."
Хотя доказательство того, что CeRu4Sn6 топологичен, не доказано, Си сказал, что он ожидает, что в конечном итоге он станет, отчасти из-за его сходства с предыдущими полуметаллами Вейля-Кондо, классом материалов, которые он и Бюлер-Пашен обнаружили в 2017 году и продолжили исследовать в феврале.
«В той степени, в которой это так, эта работа представляет собой самый первый шаг в реализации все еще предполагаемой концептуальной основы, в которой квантовая критичность может быть причиной появления сильно коррелированных топологических полуметаллов», – сказал Си.
Квантовые состояния имеют тенденцию быть хрупкими, но в топологических материалах модели квантовой запутанности создают «защищенные» состояния, которые нельзя стереть. Неизменный характер топологических состояний вызывает все больший интерес для квантовых вычислений, в которых квантовые состояния используются для хранения и обработки информации.
Си сказал, что состояние топологических материалов сегодня напоминает состояние высокотемпературных сверхпроводников в 1990-х годах.
Бюлер-Пашен, чья группа в Вене уже обнаружила первый полуметалл Вейля-Кондо и синтезировала большие монокристаллы, необходимые для экспериментов по рассеянию нейтронов, сказал: «Есть несколько материалов, которые были реализованы, но их действительно можно извлечь из от нескольких отдельных примеров к множеству случаев, как у нас сегодня с нетрадиционной сверхпроводимостью, нужна основа, принцип конструкции."