_ Electroni într-un cristal s-a descoperit că prezintă răsuciri cuantice legate și înnodate

Pe măsură ce fizicienii se adâncesc în tărâmul cuantic, ei descoperă o lume infinitezimal de mică, compusă dintr-o gamă ciudată și surprinzătoare de legături, noduri și înfăşurări. Unele materiale cuantice prezintă vârtejuri magnetice numite skyrmioni - configurații unice descrise ca „uragane subatomice”. Alții găzduiesc o formă de supraconductivitate care se răsucește în vortexuri.

Acum, într-un articol publicat în Nature, o echipă de fizicieni condusă de Princeton a descoperit că electronii din materia cuantică se pot lega între ei în moduri noi ciudate. Lucrarea reunește idei din trei domenii ale științei — fizica materiei condensate, topologia și teoria nodurilor — într-un mod nou, ridicând întrebări neașteptate despre proprietățile cuantice ale sistemelor electronice.

Topologia este ramura teoretică. matematică care studiază proprietățile geometrice care pot fi deformate, dar nu modificate intrinsec. Stările cuantice topologice au intrat pentru prima dată în atenția publicului în 2016, când trei oameni de știință, inclusiv Duncan Haldane, care este profesor de fizică matematică Thomas D. Jones de la Princeton și profesor de fizică la Universitatea Sherman Fairchild, au primit Premiul Nobel pentru predicția lor teoretică a topologiei în materiale electronice.

De atunci, cercetătorii au căutat să extindă acest domeniu de cercetare pentru a crea o înțelegere mai profundă a mecanicii cuantice, cum ar fi în domeniul „topologiei cuantice”, care încearcă să explice starea unui electron. așa cum este descris de o proprietate numită funcție de undă. Acesta a fost catalizatorul care a condus la cercetarea actuală, a spus M. Zahid Hasan, profesor de fizică Eugene Higgins la Universitatea Princeton și autor principal al studiului.

„Studiam proprietăți legate de forma funcțiilor de undă ale electronilor”, a spus Hasan. „Și am dus acum câmpul la o nouă frontieră.”

Piedul esențial al acestei noi frontiere este o structură mecanică cuantică cunoscută sub numele de buclă Weyl, care implică înfășurarea funcțiilor de undă electronică fără masă în un cristal. În lucrările anterioare inovatoare, publicate în Science în 2019, buclele Weyl fără masă au fost descoperite într-un compus compus din cobalt, mangan și galiu, cu formula chimică Co2MnGa. Această cercetare a fost condusă de Hasan și a inclus mulți dintre autorii noului studiu. La acel moment, ei au înțeles că buclele Weyl fără masă produc comportamente exotice sub câmpuri electrice și magnetice aplicate. Aceste comportamente au persistat până la temperatura camerei.

În sine, o buclă Weyl este un exemplu de tip de înfășurare a funcției de undă cuantică care este deja binecunoscută. „Exemplele anterioare de topologie în fizică implicau adesea înfășurarea funcțiilor de undă mecanice cuantice”, a spus Hasan, care a condus cercetarea actuală. „Aceștia au fost centrul comunității de fizică cel puțin în ultimul deceniu”. Aceste idei sunt derivate din lucrările anterioare ale echipei asupra cristalelor realizate din rodiu și siliciu (RhSi), precum și din materiale numite magneți Chern fabricați din elementele terbiu, magneziu și staniu (TbMn6Sn6). Ambele descoperiri au fost conduse de grupul profesorului Hasan și raportate în Nature în 2019 și apoi în Nature în 2020.

Cu toate acestea, cazul Co2MnGa s-a dovedit a fi diferit de înfășurarea funcției de undă considerată în teoriile topologice convenționale. . „Aici, în schimb, avem bucle legate – topologia noastră cu noduri recent descoperită este de altă natură și dă naștere la diferite numere de legătură matematice”, a spus Tyler Cochran, un student absolvent la Departamentul de Fizică din Princeton și coautor al noului studiu.< /p>

Materialele Co2MnGa au fost cultivate de profesorul Claudia Felser și echipa sa de la Institutul Max Planck pentru Fizica Chimică a Solidelor din Germania.

O perspectivă esențială a venit atunci când echipa de la Princeton a calculat și a înțeles că anumite materiale cuantice, cum ar fi Co2MnGa, ar putea găzdui mai multe bucle Weyl în același timp. „Când mai multe bucle Weyl coexistă, devine natural să ne întrebăm dacă se pot lega și înnoda în anumite moduri”, a spus Hasan.

Această constatare a echipei lui Hasan a stârnit întrebări fundamentale despre buclele Weyl legate și a adus împreună o echipă de experți din întreaga lume în spectroscopie de fotoemisie, topologie matematică, sinteză de materiale cuantice și calcule cuantice de prim-principii pentru a înțelege mai profund topologia legăturilor și înnodarea în materia cuantică.

Pentru a observa legătura experimental, echipa internațională a colaborat mai mult de cinci ani pentru a-și extinde lucrările anterioare privind magneții topologici. Echipa a efectuat experimente avansate de spectroscopie de fotoemisie la instalațiile de ultimă oră cu radiații sincrotron din Statele Unite, Elveția, Japonia și Suedia.

„S-a dovedit a fi un puzzle fascinant care ne-a ținut cuplati pentru o vreme.” a spus Ilya Belopolski, autorul principal al studiului, fost student absolvent în laboratorul lui Hasan de la Universitatea Princeton și acum cercetător postdoctoral la Centrul RIKEN pentru Știința Materiei Emergente de lângă Tokyo, Japonia. „Descoperirea subtilităților acestei structuri cuantice conexe elaborate în sine a necesitat mai mult de trei ani de măsurători de înaltă precizie și rezoluție ultra-înaltă la cele mai importante facilități spectroscopice din lume.”

Analiza datelor experimentale a relevat o contraintuitivă. obiect pliat pe el însuși și înfășurat printr-un tor de dimensiuni superioare. „Înțelegerea structurii obiectului a necesitat o nouă punte între mecanica cuantică, topologia matematică și teoria nodurilor”, a spus Guoqing Chang, un autor al studiului, care este acum profesor asistent de fizică la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore. În timp ce fost cercetător postdoctoral care lucra cu Hasan la Princeton, Chang a condus unul dintre primele studii teoretice despre topologia legăturilor în 2017 într-o lucrare de pionierat în Physical Review Letters.

De fapt, echipa de cercetare a descoperit că cuantica existentă. teoria materialelor nu a putut explica în mod adecvat apariția acestei structuri. Dar teoria nodurilor, au recunoscut ei, ar putea conține câteva indicii.

„Am ajuns să realizăm că unele aspecte ale teoriei nodurilor sunt foarte puternice în explicarea proprietăților cuantice ale materialelor topologice care nu erau înțelese înainte”, a spus Hasan. „Acesta este primul exemplu pe care îl știm despre unde teoria nodurilor a fost aplicată pentru a înțelege comportamentul magneților topologici. Și acesta este foarte interesant.”

Descoperirile continuă și extind conversația de decenii dintre fizică. și topologie, de data aceasta aducând noi idei matematice pentru a explica experimentele pe feromagneți cuantici. „Din punct de vedere istoric, unele dintre cele mai importante descoperiri științifice au apărut atunci când oamenii au observat noi conexiuni între matematică și fenomenele naturale. Este întotdeauna interesant să găsim exemple neașteptate de matematică subtilă în experimentele noastre”, a spus Hasan. „Și mai mult, a fost interesant faptul că conexiunea matematică a fost în domeniul topologiei, care a continuat să apară din nou și din nou sub diferite forme în studiul materialelor cuantice.”

Cercetătorii intenționează să se extindă. cercetarea lor în mai multe direcții. Deși Hasan și echipa sa și-au concentrat eforturile pe comportamentul magneților topologici, ei susțin că teoria are potențialul de a ajuta la explicarea altor comportamente cuantice. „Credem că teoria nodurilor poate fi aplicată și la mulți alți conductori topologici, supraconductori, qubiți și multe alte lucruri”, a spus el.

Și, deși cercetătorii nu s-au gândit la aplicații practice — „Am fost implicați. în cercetarea fundamentală”, a subliniat Hasan – cunoștințele lor ar putea ajuta la dezvoltarea calculului cuantic, în special la dezvoltarea de noi tipuri de qubiți topologici.

(Fluierul)