Nustatyta, kad kristale esantys elektronai demonstruoja susietus ir surištus kvantinius posūkius

Kvantinės elektroninės jungties diagrama impulso (greičio) erdvėje, stebima topologiniame Weyl magnete Co.₂MnGa, nustatyta iš pažangių fotoemisijos spektroskopijos matavimų. Kreditas: Ilja Belopolskis ir M . Zahidas Hasanas, Prinstono universitetas

Kai fizikai gilinasi į kvantinę sritį, jie atranda be galo mažą pasaulį, sudarytą iš keistų ir stebinančių jungčių, mazgų ir vingių. Kai kurios kvantinės medžiagos pasižymi magnetiniais sūkuriais, vadinamais skyrmionais – unikaliomis konfigūracijomis, vadinamomis „subatominiais uraganais“. Kiti turi superlaidumo formą, kuri susisuka į sūkurius.

Dabar straipsnyje, paskelbtame m Gamta Prinstono vadovaujama fizikų komanda atrado, kad elektronai kvantinė materija gali susieti vienas su kitu keistais naujais būdais. Darbe sujungiamos idėjos trijose mokslo srityse – kondensuotų medžiagų fizikos, topologijos ir mazgo teorija– nauju būdu, iškeliant netikėtus klausimus apie elektroninių sistemų kvantines savybes.

Topologija yra teorinės matematikos šaka, tirianti geometrines savybes, kurios gali būti deformuotos, bet iš esmės nepakeistos. Topologinės kvantinės būsenos pirmą kartą pateko į visuomenės dėmesį 2016 m., kai trys mokslininkai, įskaitant Duncaną Haldane’ą, Prinstono Thomaso D. Joneso matematinės fizikos profesorių ir Shermano Fairchildo universiteto fizikos profesorių, buvo apdovanoti Nobelio premija už teorinį topologijos numatymą. elektroninės medžiagos.

Nuo to laiko mokslininkai siekė išplėsti šią tyrimų sritį, kad sukurtų gilesnį kvantinės mechanikos supratimą, pavyzdžiui, „kvantinės topologijos“ srityje, kuria siekiama paaiškinti elektrono būseną, apibūdinamą savybe, vadinama jo bangos funkcija. Tai buvo katalizatorius, paskatinęs atlikti dabartinius tyrimus, sakė Prinstono universiteto fizikos profesorius Eugene’as Higginsas ir vyresnysis tyrimo autorius M. Zahidas Hasanas.

“Mes tiriame savybes, susijusias su elektronų banginių funkcijų forma”, – sakė Hasanas. “Ir dabar mes perkėlėme lauką į naują ribą.”

Esminis šios naujos sienos elementas yra kvantinė mechaninė struktūra, žinoma kaip Weyl kilpa, kuri apima bemasių elektronų bangų funkcijų apviją kristale. Ankstesniame novatoriškame darbe, paskelbtame m Mokslas 2019 m. bemasės Weylio kilpos buvo aptiktos junginyje, sudarytame iš kobalto, mangano ir galio, kurio cheminė formulė Co.₂MnGa. Šiam tyrimui vadovavo Hasanas, jame dalyvavo daugelis naujojo tyrimo autorių. Tuo metu jie suprato, kad bemasės Weyl kilpos sukuria egzotišką elgesį veikiant elektriniams ir magnetiniams laukams. Šis elgesys išliko iki kambario temperatūros.

Pati Weyl kilpa yra jau gerai žinomos kvantinės bangos funkcijos apvijos pavyzdys. “Ankstesni fizikos topologijos pavyzdžiai dažnai buvo susiję su kvantinių mechaninių bangų funkcijų apvija”, – sakė Hasanas, vadovavęs dabartiniam tyrimui. “Jie buvo fizikos bendruomenės dėmesio centre mažiausiai pastarąjį dešimtmetį.” Šios idėjos kilusios iš ankstesnių komandos darbų, susijusių su kristalais, pagamintais iš rodžio ir silicio (RhSi), taip pat su medžiagomis, vadinamomis Černo magnetais, pagamintais iš terbio, magnio ir alavo (TbMn).₆Sn₆). Abiem šiems atradimams vadovavo profesoriaus Hasano grupė ir apie juos buvo pranešta Gamta 2019 m., o vėliau Gamta 2020 metais.

Tačiau Co atvejis₂MnGa pasirodė kitoks nei bangos funkcija apvija, laikoma įprastose topologinėse teorijose. „Vietoj to mes turime susietas kilpas – mūsų naujai atrasta mazginė topologija yra kitokio pobūdžio ir sukelia skirtingus matematinius susiejimo skaičius“, – sakė Prinstono fizikos katedros magistrantas ir naujojo tyrimo bendraautoris Tyleris Cochranas.

Co₂MnGa medžiagas augino profesorė Claudia Felser ir jos komanda Maxo Plancko kietųjų medžiagų cheminės fizikos institute Vokietijoje.

Susietų mazgų kilpų parašai Co₂MnGa. Kreditas: Gamta (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-04512-8

Esminė įžvalga atsirado, kai Prinstono komanda apskaičiavo ir suprato, kad tam tikros kvantinės medžiagos, tokios kaip Co₂MnGa vienu metu galėtų priimti kelias Weyl kilpas. „Kai kartu egzistuoja kelios Weylio kilpos, tampa natūralu paklausti, ar jos gali tam tikrais būdais susijungti ir susirišti“, – sakė Hasanas.

Šis Hasano komandos supratimas sukėlė esminių klausimų apie susietas Weylio kilpas ir subūrė ekspertų iš viso pasaulio fotoemisijos spektroskopijos, matematinės topologijos, kvantinės medžiagos sintezės ir pirmųjų kvantinių skaičiavimų principų komandą, kad būtų galima giliau suprasti grandžių topologiją ir kvantinės materijos mazgus. .

Siekdama eksperimentiškai stebėti ryšį, tarptautinė komanda daugiau nei penkerius metus bendradarbiavo, siekdama išplėsti savo ankstesnius darbus su topologiniais magnetais. Komanda atliko pažangius fotoemisijos spektroskopijos eksperimentus pažangiausiuose sinchrotroninės spinduliuotės įrenginiuose JAV, Šveicarijoje, Japonijoje ir Švedijoje.

„Paaiškėjo, kad tai yra įspūdingas galvosūkis, kurį laiką mus užkabinęs“, – sakė Ilja Belopolskis, pagrindinis tyrimo autorius, buvęs Prinstono universiteto Hasano laboratorijos magistrantūros studentas, o dabar RIKEN naujų medžiagų centro mokslo darbuotojas. Mokslas netoli Tokijo, Japonija. „Šios sudėtingos kvantinės struktūros sudėtingumui atskleisti prireikė daugiau nei trejų metų didelio tikslumo ir itin didelės skiriamosios gebos matavimų pirmaujančiuose pasaulyje spektroskopiniuose įrenginiuose.

Eksperimentinių duomenų analizė atskleidė priešintuityvų objektą, susilenkusį ant savęs ir besivyniojantį per aukštesnės dimensijos torą. „Norint suprasti objekto struktūrą, reikėjo naujo tilto tarp kvantinės mechanikos, matematinės topologijos ir mazgų teorijos“, – sakė tyrimo autorius Guoqingas Changas, kuris dabar yra Singapūro Nanyang technologijos universiteto fizikos docentas. Buvęs doktorantūros mokslų daktaras, dirbęs su Hasanu Prinstono universitete, Chang vadovavo vienam iš ankstyvųjų teorinių nuorodų topologijos tyrimų 2017 m. Fizinės apžvalgos laiškai.

Tiesą sakant, tyrimo grupė nustatė, kad esama medžiagų kvantinė teorija negalėjo tinkamai paaiškinti šios struktūros atsiradimo. Tačiau jie pripažino, kad mazgų teorija gali turėti tam tikrų užuominų.

“Mes supratome, kad kai kurie mazgų teorijos aspektai yra labai galingi paaiškinant topologinių medžiagų kvantines savybes, kurios anksčiau nebuvo suprantamos”, – sakė Hasanas. “Tai pirmas mums žinomas pavyzdys, kur mazgų teorija buvo pritaikyta topologinių magnetų elgsenai suprasti. Ir tai labai įdomu.”

Išvados tęsia ir pratęsia dešimtmečius trukusį pokalbį tarp fizikos ir topologijos, šį kartą pateikiant naujų matematinių idėjų, paaiškinančių eksperimentus su kvantiniais feromagnetais. “Istoriškai kai kurie svarbiausi moksliniai atradimai atsirado, kai žmonės pastebėjo naujas matematikos ir gamtos reiškinių sąsajas. Visada įdomu mūsų eksperimentuose rasti netikėtų subtilios matematikos pavyzdžių”, – sakė Hasanas. “Dar labiau buvo įdomu tai, kad matematinis ryšys buvo topologijos srityje, kuri vis dar ir vėl išryškėjo įvairiais pavidalais tiriant kvantinės medžiagos“.

Tyrėjai ketina išplėsti savo tyrimus keliomis kryptimis. Nors Hasanas ir jo komanda sutelkė savo pastangas į topologinių magnetų elgesį, jie teigia, kad teorija gali padėti paaiškinti kitus kvantinius elgesius. „Manome, kad mazgų teorija taip pat gali būti taikoma daugeliui kitų topologinių laidininkų, superlaidininkų, kubitų ir daugelio kitų dalykų“, – sakė jis.

Ir nors mokslininkai negalvojo apie praktinius pritaikymus – „mes dalyvavome fundamentiniuose tyrimuose“, – pabrėžė Hasanas, – jų įžvalgos gali padėti plėtoti kvantinį skaičiavimą, ypač kuriant naujus topologinių kubitų tipus.