Было открыто новое квантовое состояние, в котором электроны движутся по странным траекториям, а материя нарушает все правила. Фото: Shutterstock

На границе двух экзотических материалов исследователи обнаружили новое странное квантовое состояние, в котором электроны движутся в шести необычных направлениях — такого раньше никто не видел.

Этот «квантовый жидкий кристалл» бросает вызов нашим представлениям о материи и может привести к созданию новых мощных квантовых устройств.

Новое квантовое состояние на границах раздела материалов

Ученые открыли новый способ существования материи, который отличается от привычных состояний твердого тела, жидкости, газа или плазмы и происходит на границе раздела двух экзотических материалов, образующих «сэндвич».

По словам учёных, новое квантовое состояние, называемое квантовым жидким кристаллом, подчиняется собственным законам и обладает характеристиками, которые могут открыть путь к передовым технологическим решениям.

В статье, опубликованной в журнале Science Advances, группа исследователей из Ратгерского университета описала эксперимент, в ходе которого изучалось взаимодействие между проводящим материалом под названием полуметалл Вейля и изолирующим магнитным материалом, известным как спиновый лёд, при воздействии на них чрезвычайно сильного магнитного поля. Оба материала известны своими уникальными и сложными свойствами.

«Несмотря на то, что каждый из материалов был тщательно изучен, их взаимодействие на этой границе оставалось совершенно неизученным, — говорит Цзун-Чи Ву, который в июне получил докторскую степень в аспирантуре Ратгерского университета по специальности «физика и астрономия» и является первым автором исследования. — Мы наблюдали новые квантовые фазы, которые возникают только при взаимодействии этих двух материалов. Это создаёт новое квантовое топологическое состояние вещества в условиях сильного магнитного поля, которое ранее было неизвестно».

Магнитные поля вызывают неожиданный поток электронов

Команда исследователей обнаружила, что на границе этих двух материалов электронные свойства полуметалла Вейля зависят от магнитных свойств спинового льда. Это взаимодействие приводит к очень редкому явлению, называемому «электронной анизотропией», при котором материал проводит электричество по-разному в зависимости от направления. Они обнаружили, что в пределах 360-градусного круга проводимость минимальна в шести определённых направлениях. Удивительно, но при увеличении магнитного поля электроны внезапно начинают двигаться в двух противоположных направлениях.

Это открытие согласуется с характеристиками квантового явления, известного как нарушение вращательной симметрии, и указывает на возникновение новой квантовой фазы в условиях сильного магнитного поля.

Физики из Ратгерского университета находят новые способы применения передовых технологий для контроля материалов и управления ими. Фото: Джефф Арбан/Ратгерский университет

На пути к Мощным Квантовым Датчикам

По словам Ву, полученные результаты имеют большое значение, поскольку они открывают новые способы контроля и управления свойствами материалов. Понимая, как движутся электроны в этих особых материалах, учёные потенциально могут разработать новые поколения сверхчувствительных квантовых датчиков магнитных полей, которые будут лучше всего работать в экстремальных условиях, например в космосе или внутри мощных машин.

Вейлевские полуметаллы — это материалы, которые позволяют электричеству распространяться необычным образом с очень высокой скоростью и без потерь энергии благодаря особым релятивистским квазичастицам, называемым фермионами Вейля. Спин-лед, в свою очередь, — это магнитные материалы, в которых магнитные моменты (крошечные магнитные поля внутри материала) расположены так, что напоминают расположение атомов водорода во льду. При объединении этих двух материалов образуется гетероструктура, состоящая из атомных слоев разнородных материалов.

Новое вещество из экстремальных условий

Ученые обнаружили, что в экстремальных условиях, в том числе при очень низких температурах, высоком давлении или в сильных магнитных полях, появляются новые состояния вещества, которые ведут себя странным и удивительным образом. По словам Ву, такие эксперименты, как тот, что проводился в Ратгерском университете, могут привести к новому, фундаментальному пониманию материи, выходящему за рамки четырех естественных состояний вещества.

«Это только начало, — сказал Ву. — Существует множество возможностей для изучения новых квантовых материалов и их взаимодействия при объединении в гетероструктуру. Мы надеемся, что наша работа вдохновит физическое сообщество на исследование этих захватывающих новых направлений».

Исследование проводилось с использованием различных экспериментальных методов под руководством главного исследователя проекта Джака Чахаляна, профессора экспериментальной физики имени Клода Лавлейса на факультете физики и астрономии и соавтора исследования. Теоретическую поддержку оказал Джедедайя Пиксли, доцент факультета физики и астрономии, также соавтор исследования.

«Совместная работа экспериментаторов и теоретиков — вот что действительно делает эту работу возможной, — сказал Ву. — Нам потребовалось больше двух лет, чтобы разобраться в результатах эксперимента. Мы в долгу перед группой Пиксли, в частности перед Джедом Пиксли и Юэцином Чангом, научным сотрудником с докторской степенью. Мы продолжаем наше сотрудничество, чтобы расширить границы этой области в рамках команды Ратгерского университета».

Анализ данных в MagLab

Большинство экспериментов проводилось в Национальной лаборатории сильного магнитного поля (MagLab) в Таллахасси, штат Флорида, где были созданы уникальные условия для изучения этих материалов при сверхнизких температурах и высоких магнитных полях.

«Нам пришлось инициировать сотрудничество и несколько раз приезжать в MagLab, чтобы провести эти эксперименты, каждый раз совершенствуя идеи и методы, — сказал Ву. — Сверхнизкие температуры и высокие магнитные поля были необходимы для наблюдения этих новых явлений».

Создание квантовой гетероструктуры

Исследование основано на предыдущей работе учёных из Ратгерского университета опубликованной ранее в этом году под руководством Чахаляна, Михаила Карева, Ву и других физиков. В отчёте описывается, как четыре года непрерывных экспериментов привели к созданию нового метода проектирования и построения уникальной крошечной структуры толщиной в несколько атомов, состоящей из полуметалла Вейля и спинового льда. Создать квантовую гетероструктуру было настолько сложно, что учёные разработали для этого машину: Q-DiP, сокращение от «платформа для обнаружения квантовых явлений».

«В той статье мы описали, как создали гетероструктуру, — сказал Чахалян. — Новая статья в журнале Science Advances посвящена тому, на что она способна».

Ссылка: 

1. Электронная анизотропия и нарушение вращательной симметрии на границе между полуметаллом Вейля и спиновым льдом» Цзун-Чи Ву, Юэцин Чан, Анг-Кун Ву, Майкл Терилли, Фанди Вэнь, Михаил Кареев, Ын Сан Чхве, Дэвид Граф, Цинхуа Чжан, Линь Гу, Чжэнтао Ван, Джедедайя Х. Пиксли и Джак Чахалян, 13 июня 2025 г., Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adr6202

Источник: SciTechDaily