Группа физиков из Университета Райса (США) и Венского технического университета обнаружила новое квантовое состояние вещества, которое сочетает два ранее разделённых свойства электронных систем — квантовую критичность и электронную топологию. Это фундаментальное открытие, опубликованное 14 января 2026 года в журнале Nature Physics, не только расширяет базовые знания о свойствах электронов в твёрдых телах, но и может стать основой для будущих технологий в вычислениях, сенсорах и материалах с уникальными свойствами.
Что такое квантовая критичность и топология
Квантовая критичность — это состояние системы, когда она находится на грани между двумя фазами, и электроны в такой системе испытывают сильные флуктуации. Этот эффект можно сравнить с водой, находящейся на границе между замерзанием и кипением: даже небольшие изменения внешних условий приводят к крупным изменениям свойств системы. Топология же в физике описывает устойчивые, «закрученные» особенности волновой функции электронов, которые сохраняются даже при изменении структуры материала. Топологические эффекты проявляются в устойчивости электронных состояний, которые защищены от воздействия внешних возмущений.
Ранее квантовая критичность и электронная топология изучались раздельно: критичность — в системах с сильными электронными взаимодействиями, а топологические свойства — в слабосвязанных системах. Новое исследование показало, что сильные взаимодействия между электронами не уничтожают топологические свойства, а могут их порождать, создавая уникальные квантовые состояния.
Как провели исследования
Учёные разработали теоретическую модель, предсказывающую поведение электронов в материалах, где сильные взаимодействия и топологические эффекты проявляются одновременно. Затем экспериментальная группа под руководством Силке Пашен из Венского технического университета изучила материал с «тяжёлыми фермионами» — система, где электроны ведут себя так, как будто они значительно тяжелее обычных из-за интенсивных взаимодействий. Эти эксперименты подтвердили основные предсказания теории.
Что нового в этом квантовом состоянии
Ранее считалось, что топологическое поведение электронов усиливается в системах с относительно слабым взаимодействием между частицами, а сильные взаимодействия, наоборот, разрушают такие эффекты. Новая работа показывает прямо противоположное: сильная электронная корреляция может сама по себе создавать устойчивые топологические состояния. Именно такая комбинация квантовой критичности и топологии и была названа новым квантовым состоянием.
Это означает, что в определённых материалах электроны могут находиться в состоянии, которое одновременно:
- проявляет флуктуации на грани фазовых переходов,
- сохраняет топологическую структуру, устойчивую к нарушениям порядка.
Возможные применения нового состояния
Открытие нового квантового состояния имеет потенциально широкий спектр практических применений, особенно в области технологических устройств, где важны устойчивость к возмущениям и высокая чувствительность:
1. Квантовые вычисления
Комбинация топологии и квантовой критичности может быть использована для разработки новых типов квантовых битов (кубитов) или элементов квантового устройства, обладающих высокой устойчивостью к внешним шумам и декогеренции.
2. Сенсоры высокой чувствительности
Состояния, связанные с критичностью, характеризуются чрезвычайной чувствительностью к изменениям внешних условий, что делает их перспективными для создания ультрачувствительных детекторов — например, для магнитных полей или слабых сигналов в физических измерениях.
3. Материалы следующего поколения
Комбинированные квантовые свойства могут быть использованы для материалов с необычными проводниковыми или оптическими характеристиками, потенциально применимыми в электронике, спинтронике и других областях будущих технологий.
Почему это важно для науки
Это сочетание квантовой критичности и топологии — новый фундаментальный результат в физике твёрдого тела. Он позволяет расширить представление о том, как взаимодействуют электроны и какие коллективные состояния они могут образовывать. Это не просто теоретическое дополнение к существующим моделям: экспериментальные подтверждения указывают, что эти состояния реально реализуются в конкретных материалах.
Кроме того, работа демонстрирует, что не все новые квантовые эффекты можно изучать по отдельности — в некоторых случаях их сочетание открывает качественно новые физические состояния, которые нельзя предсказать, рассматривая эффекты по отдельности.
Что дальше
Исследователи отмечают, что теперь можно целевым образом искать или создавать материалы, близкие к квантовому критическому состоянию и имеющие предрасположенность к топологическим структурам. Это даёт план для систематической разработки новых материалов с заданными квантовыми свойствами и, в перспективе, открытия ещё более необычных состояний материи.
Заключение
Открытие нового квантового состояния, в котором сильные электронные взаимодействия создают топологические эффекты, представляет собой важный шаг в физике твёрдого тела. Новая теория и её экспериментальное подтверждение расширяют границы понимания квантовых систем и открывают пути для создания перспективных технологий следующего поколения. Это фундаментальное достижение играет роль моста между базовой физикой и будущими практическими приложениями в области вычислений, сенсоров и новых материалов.
Источники:
Статья создана по материалам EurekAlert.org
