На поверхности мышьяка обнаружили невиданное ранее квантовое гибридное состояние

Занимаясь исследованием квантовой топологии — волнового поведения частиц в сочетании с математикой геометрии, — команда обнаружила странный гибрид двух различных квантовых состояний. «Это открытие было совершенно неожиданным», — говорит физик Захид Хасан из Принстонского университета.

Топология становится все более важной для понимания поведения материалов, которые могут быть описаны только волнообразными свойствами, известными как квантовая материя. Занимаясь геометрией структур, которые не меняются при сгибании или деформации (но могут измениться, если их сломать или проткнуть), топология способна влиять на квантовую активность материалов различными способами.

Многие из этих исследований связаны с соединениями с основой из висмута, поскольку висмут является эффективным топологическим изолятором — материалом, внешний слой которого действует как проводник активности, а внутренний — как изолятор. Это означает, что электроны внутри неподвижны, а на поверхности и гранях могут свободно перемещаться.

Обычно используемый в полупроводниковых материалах, мышьяк также может вести себя как топологический изолятор. Физики, в том числе Хасан и его команда, ищут новые квантовые состояния в топологических изоляторах, особенно в тех, что могут работать при комнатной температуре.

Материалы на основе висмута позволили многое понять, но они требуют высоких температур и сложны в синтезе и приготовлении. Мышьяк, напротив, можно выращивать в форме, которая чище, чем висмут, и проще в приготовлении. Поэтому исследователи вырастили кристаллы серого мышьяка, который имеет металлический вид, и приложили к ним магнитное поле.

Затем они исследовали образец с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), которая позволяет получать изображения в субатомных масштабах, и фотоэмиссионной спектроскопии, которая измеряет энергетические состояния электронов.

Они обнаружили поверхностные состояния — состояния электронов, которые протекают вдоль «беззазорных» поверхностей некоторых видов топологических изоляторов, — и это было ожидаемо. Но никто не предполагал, что обнаружатся краевые состояния, которые существуют на границах другого вида топологического изолятора и никогда ранее не наблюдались бок о бок с поверхностными состояниями.

«Мы были удивлены, — говорит физик Шафаят Хоссейн из Принстонского университета. — Предполагалось, что серый мышьяк имеет только поверхностные состояния. Но когда мы исследовали края атомных ступеней, то обнаружили прекрасные проводящие краевые состояния». Они пришли к выводу, что наблюдаемое ими гибридное состояние никто никогда раньше не видел.

«Обычно мы считаем, что объемная полосовая структура материала относится к одному из нескольких отдельных топологических классов, каждый из которых связан с определенным типом граничного состояния, — говорит физик Дэвид Хсиех из Калифорнийского технологического института, который не принимал участия в исследовании. — Эта работа показывает, что некоторые материалы могут одновременно относиться к двум классам».

Граничные состояния, возникающие в этих двух топологиях, могут взаимодействовать и перестраиваться в новое квантовое состояние, которое представляет собой нечто большее, чем просто суперпозицию своих частей. Эта находка может открыть новый вид квантовых материалов, что, в свою очередь, может продвинуть исследования в области квантовой физики, а также такие технологии, как квантовые вычисления.

«Мы предполагаем, что мышьяк с его уникальной топологией может послужить новой платформой на схожем уровне для разработки новых топологических материалов и квантовых устройств, которые в настоящее время недоступны через существующие платформы, — говорит Хасан. — Нас ждет новый захватывающий рубеж в материаловедении и новаторской физике!»

Теоретическая основа, направленная на измерение рейнольдсовского подобия в сверхтекучих средах, потенциально может доказать наличие квантовой вязкости. Каждая жидкость или газ: от воздуха, окружающего Землю, до крови, текущей по венам, — обладает измеримым свойством, известным как вязкость.