Dwa odrębne światy kwantowe. Dlaczego nie powinny się łączyć?
Z jednej strony mamy kwantową krytyczność. To stan nieustającej fluktuacji, w którym materia zawieszona jest pomiędzy różnymi fazami. Można to porównać do wody dokładnie w temperaturze zerowej: nie jest ani cieczą, ani lodem. Występuje w materiałach, gdzie elektrony silnie na siebie oddziałują. Z drugiej strony istnieje topologia elektroniczna, która opisuje geometryczne własności stanów kwantowych wynikające z falowej natury elektronów. Przez dekady panowało przekonanie, że te dwie dziedziny się wykluczają. Uważano, że silne oddziaływania między cząstkami muszą niszczyć delikatne struktury topologiczne.
Czytaj też: Ten materiał można przetwarzać w nieskończoność. Przemysł lotniczy i energetyczny czeka na to od lat
Łącząc te dziedziny, wkroczyliśmy na nieznane terytorium. Zaskoczyło nas odkrycie, że sama kwantowa krytyczność może generować zachowanie topologiczne, zwłaszcza w środowisku silnych interakcji – wyjaśnia Lei Chen, współautor badania
Grupa badawcza kierowana przez Qimiao Si z Rice University oraz Silke Paschen z Politechniki Wiedeńskiej udowodniła, że to założenie było błędne. Ich praca pokazuje, że silne korelacje nie tylko nie niszczą stanów topologicznych, ale wręcz mogą je aktywnie tworzyć.
Półmetal Weyla-Kondo w akcji
Teorię zweryfikowano w praktyce, badając związek ciężkich fermionów o nazwie CeRuSn. Materiał ten ma niecentrosymetryczną strukturę krystaliczną i naturalnie istnieje w stanie kwantowo-krytycznym. To właśnie w nim badacze zaobserwowali emergentną fazę półmetalu Weyla-Kondo. Kluczowe spostrzeżenie dotyczy tego, jak tworzą się węzły topologiczne, czyli miejsca, w których przecinają się pasma energetyczne. W konwencjonalnych materiałach ich istnienie zależy od kwazicząstek. W punkcie kwantowej krytyczności kwazicząstki zanikają, co teoretycznie uniemożliwia topologię. Zespół wykazał jednak, iż węzły można opisać jako skrzyżowania funkcji spektralnych pojedynczych cząstek, nawet bez dobrze zdefiniowanych kwazicząstek.
Czytaj też: Symulacje kwantowe na laptopach. Fizycy upraszczają skomplikowane obliczenia
Obserwowana faza półmetalu tworzy charakterystyczną „kopułę” w zależności od pola magnetycznego i ciśnienia. Jej środek znajduje się dokładnie w kwantowym punkcie krytycznym, co stanowi mocny dowód, że to fluktuacje krytyczne stabilizują tę emergentną fazę topologiczną. Odkrycie ma praktyczny wymiar dla przyszłych technologii. Stany topologiczne słyną ze swojej odporności na zakłócenia, a kwantowa krytyczność wzmacnia splątanie, które jest paliwem dla komputerów kwantowych. Połączenie tych cech brzmi obiecująco, lecz w tej dziedzinie obietnic było już wiele, a realne urządzenia wciąż są w powijakach.
To fundamentalny krok naprzód. Nasza praca pokazuje, że potężne efekty kwantowe mogą się łączyć, tworząc coś zupełnie nowego, co może pomóc kształtować przyszłość nauki kwantowej – dodaje Qimiao Si
Naukowcy sugerują nowe podejście do poszukiwań. Zamiast szukać oddzielnie materiałów topologicznych i kwantowo-krytycznych, lepiej skupić się na związkach znajdujących się w kwantowym punkcie krytycznym, które mają jednocześnie potencjał topologiczny – na przykład dzięki niecentrosymetrycznej strukturze krystalicznej. Co ciekawe, emergentny półmetal Weyla-Kondo pozostaje „cieczą niefermionową”, co oznacza, że kwantowe fluktuacje krytyczne utrzymują się nawet w fazie topologicznej.