Открытие, сделанное исследователями из Университета Райса, Венского технологического университета Австрии (TU Wien), Швейцарского института Пауля Шеррера и Канадского университета Макмастера, подробно описано в статье в Proceedings of the National Academy of Sciences. Интересны как происхождение эффекта, который обычно ассоциируется с магнетизмом, так и его гигантская величина – более чем в 1000 раз больше, чем можно было бы наблюдать в простых полупроводниках.
Соавтор исследования Райса Цимиао Си, физик-теоретик, который исследовал квантовые материалы почти три десятилетия, сказал: «Это действительно топология в действии», имея в виду паттерны квантовой запутанности, которые порождают неортодоксальное состояние.
Этот материал, экзотический полуметалл церия, висмута и палладия, был создан и измерен в TU Wien Силке Бюлер-Пашен, давним сотрудником Si.
В конце 2017 года Си, Бюлер-Пашен и его коллеги открыли новый тип квантового материала, который они назвали «полуметалл Вейля-Кондо.«Исследование заложило основу для эмпирических исследований, но Си сказал, что эксперименты были сложными, отчасти потому, что не было ясно,« какая физическая величина будет проявлять эффект »."
В апреле 2018 года Бюлер-Пашен и аспирант Венского университета Сами Дзабер, первый автор исследования, зашли в офис Си во время семинара в Центре квантовых материалов Райса (RCQM).
Когда Си увидел данные Дзсабера, он усомнился.
«Увидев это, первая реакция всех – это невозможно», – сказал он.
Чтобы понять, почему, это помогает понять как природу, так и открытие 1879 года Эдвина Холла, докторанта, который обнаружил, что приложение магнитного поля под углом 90 градусов к проводящему проводу создает разность напряжений на проводе в перпендикулярном направлении. как к току, так и к магнитному полю.
В конце концов физики обнаружили источник эффекта Холла: магнитное поле отклоняет движение проходящих электронов, притягивая их к одной стороне провода. Эффект Холла – стандартный инструмент в физических лабораториях, и устройства, которые его используют, можно найти в таких разнообразных продуктах, как ракетные двигатели и пейнтбольные ружья.
Исследования, связанные с квантовой природой эффекта Холла, были отмечены Нобелевскими премиями 1985 и 1998 годов.
Экспериментальные данные Дзсабера ясно показали характерный сигнал Холла, хотя магнитное поле не применялось.
«Если вы не применяете магнитное поле, электрон не должен изгибаться», – сказал Си. "Итак, как можно было получить падение напряжения в перпендикулярном направлении??
Вот почему все сначала этому не поверили."
Эксперименты в Институте Пауля Шеррера исключили наличие крошечного магнитного поля, которое можно было обнаружить только в микроскопическом масштабе.
Так что оставался вопрос: что вызвало эффект?
«В конце концов, всем нам пришлось признать, что это связано с топологией», – сказал Си.
В топологических материалах образцы квантовой запутанности создают «защищенные» состояния, универсальные особенности, которые невозможно стереть. Неизменный характер топологических состояний вызывает все больший интерес для квантовых вычислений.
Полуметаллы Вейля, в которых проявляется квазичастица, известная как фермион Вейля, являются топологическими материалами.
Таковы полуметаллы Вейля-Кондо Si, Бюлер-Пашен и его коллеги, обнаруженные в 2018 году. В них присутствуют как фермионы Вейля, так и эффект Кондо, взаимодействие между магнитными моментами электронов, прикрепленных к атомам внутри металла, и спинами проходящих электронов проводимости.
«Эффект Кондо – квинтэссенция сильных корреляций в квантовых материалах», – сказал Си, имея в виду коррелированное коллективное поведение миллиардов квантовых запутанных частиц. "Это квалифицирует полуметалл Вейля-Кондо как один из редких примеров топологического состояния, которое обусловлено сильной корреляцией.
«Топология является определяющей характеристикой полуметалла Вейля-Кондо, и открытие этого спонтанного гигантского эффекта Холла – действительно первое обнаружение топологии, связанной с таким типом фермионов Вейля», – сказал Си.
Эксперименты показали, что эффект возник при характерной температуре, связанной с эффектом Кондо, что указывает на то, что они, вероятно, связаны, сказал Си.
«Этот вид спонтанного эффекта Холла также наблюдался в одновременных экспериментах с некоторыми слоистыми полупроводниками, но наш эффект более чем в 1000 раз больше», – сказал он. «Мы смогли показать, что наблюдаемый гигантский эффект на самом деле является естественным, когда топологическое состояние развивается из сильных корреляций."
Си сказал, что новое наблюдение, вероятно, является «вершиной айсберга» экстремальных реакций, которые возникают в результате взаимодействия между сильными корреляциями и топологией.
Он сказал, что размер топологически сгенерированного эффекта Холла также, вероятно, подтолкнет исследования к потенциальному использованию технологии для квантовых вычислений.
«Эта большая величина и ее прочная, объемная природа представляют интригующие возможности для использования в топологических квантовых устройствах», – сказал Си.
Si – это Гарри C. и Ольга К. Wiess профессор кафедры физики и астрономии Райс и директор RCQM.
Бюлер-Пашен – профессор Венского института физики твердого тела.