Электроны в кристалле демонстрируют связанные и заузленные квантовые повороты
В статье, опубликованной в журнале Nature, команда физиков из Принстона обнаружила, что электроны в квантовой материи могут связываться друг с другом странными новыми способами. Работа объединяет идеи из трех областей науки — физики конденсированного состояния, топологии и теории узлов — по-новому, поднимая неожиданные вопросы о квантовых свойствах электронных систем.
Диаграмма связи квантовой электронной связи в импульсном (скоростном) пространстве, наблюдаемая в топологическом магните Вейля Co 2 MnGa, полученная из расширенных измерений фотоэмиссионной спектроскопии. Кредит: Илья Белопольский и М . Захид Хасан, Принстонский университет
По мере того, как физики все глубже погружаются в квантовую сферу, они открывают бесконечно малый мир, состоящий из странного и удивительного набора звеньев, узлов и витков. Некоторые квантовые материалы демонстрируют магнитные вихри, называемые скирмионами, — уникальные конфигурации, описываемые как «субатомные ураганы». Другие содержат форму сверхпроводимости, которая закручивается в вихри.
Теперь в статье, опубликованной в журнале Nature, команда физиков из Принстона обнаружила, что электроны в квантовой материи могут связываться друг с другом странными новыми способами. Работа объединяет идеи из трех областей науки — физики конденсированного состояния, топологии и теории узлов — по-новому, поднимая неожиданные вопросы о квантовых свойствах электронных систем.
Топология — это раздел теоретической математики, изучающий геометрические свойства, которые можно деформировать, но не изменить по сути. Топологические квантовые состояния впервые привлекли внимание общественности в 2016 году, когда трое ученых, в том числе Дункан Холдейн, профессор математической физики Томаса Д. Джонса в Принстоне и профессор физики Университета Шермана Фэйрчайлда, были удостоены Нобелевской премии за теоретическое предсказание топологии в электронные материалы.
С тех пор исследователи стремились расширить эту область исследований, чтобы глубже понять квантовую механику, например, в области «квантовой топологии», которая пытается объяснить состояние электрона, описываемое свойством, называемым его волновой функцией. Это стало катализатором, который привел к текущему исследованию, сказал М. Захид Хасан, профессор физики Юджина Хиггинса в Принстонском университете и старший автор исследования.
«Мы изучаем свойства, связанные с формой волновых функций электронов», — сказал Хасан. «И теперь мы вышли на новый рубеж».
Существенным строительным блоком этого нового рубежа является квантово-механическая структура, известная как петля Вейля, которая включает в себя намотку безмассовых электронных волновых функций в кристалле. В предыдущей новаторской работе, опубликованной в журнале Science в 2019 году, безмассовые петли Вейля были обнаружены в соединении, состоящем из кобальта, марганца и галлия, с химической формулой Co 2 MnGa. Это исследование возглавлял Хасан, в нем участвовали многие авторы нового исследования. В то время они поняли, что безмассовые петли Вейля ведут себя экзотически под действием приложенных электрических и магнитных полей. Такое поведение сохранялось до комнатной температуры.
Сама по себе петля Вейля является примером хорошо известной намотки квантовой волновой функции. «Предыдущие примеры топологии в физике часто включали намотку квантово-механических волновых функций», — сказал Хасан, который руководил текущим исследованием. «Они были в центре внимания сообщества физиков, по крайней мере, последнее десятилетие». Эти идеи основаны на более ранних работах группы по кристаллам из родия и кремния (RhSi), а также материалам, называемым магнитами Черна, сделанным из элементов тербия, магния и олова (TbMn 6 Sn 6 ). Оба этих открытия были сделаны группой профессора Хасана и опубликованы в журнале Nature в 2019 году, а затем в журнале Nature в 2020 году.
Однако случай Co 2 MnGa оказался отличным от накрутки волновой функции, рассматриваемой в традиционных топологических теориях. «Здесь вместо этого мы имеем связанные петли — наша недавно открытая узловая топология имеет другую природу и приводит к другим математическим числам связи», — сказал Тайлер Кокран, аспирант физического факультета Принстона и соавтор нового исследования.
Материалы Co 2 MnGa были выращены профессором Клаудией Фельзер и ее командой в Институте химической физики твердых тел им. Макса Планка в Германии.
Сигнатуры связанных узловых петель в Co 2 MnGa. Кредит: Природа (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04512-8
Важное понимание пришло, когда команда из Принстона рассчитала и поняла, что некоторые квантовые материалы, такие как Co 2 MnGa, могут содержать несколько петель Вейля одновременно. «Когда сосуществуют несколько петель Вейля, естественно задаться вопросом, могут ли они соединяться и завязываться определенным образом», — сказал Хасан.
Это понимание командой Хасана вызвало фундаментальные вопросы о связанных петлях Вейля и объединило команду экспертов со всего мира в области фотоэмиссионной спектроскопии, математической топологии, синтеза квантовых материалов и квантовых вычислений из первых принципов, чтобы более глубоко понять топологию связей и образование узлов в квантовой материи.
Чтобы экспериментально наблюдать эту связь, международная команда более пяти лет сотрудничала, чтобы расширить свои более ранние работы по топологическим магнитам. Группа провела передовые эксперименты по фотоэмиссионной спектроскопии на передовых установках синхротронного излучения в США, Швейцарии, Японии и Швеции.
«Это оказалось увлекательной загадкой, которая на какое-то время зацепила нас», — сказал Илья Белопольский, ведущий автор исследования, бывший аспирант лаборатории Хасана в Принстонском университете, а ныне научный сотрудник RIKEN Center for Emergent Matter. Наука недалеко от Токио, Япония. «Чтобы разобраться в хитросплетениях этой сложной связанной квантовой структуры, потребовалось более трех лет высокоточных измерений со сверхвысоким разрешением на ведущих спектроскопических установках мира».
Анализ экспериментальных данных выявил контринтуитивный объект, свернутый сам в себя и обернутый поперек многомерного тора. «Понимание структуры объекта потребовало нового моста между квантовой механикой, математической топологией и теорией узлов», — сказал Гоцин Чанг, автор исследования, который сейчас является доцентом физики в Наньянском технологическом университете в Сингапуре. Будучи бывшим исследователем с докторской степенью, работавшим с Хасаном в Принстоне, Чанг возглавил одно из первых теоретических исследований топологии каналов в 2017 году в новаторской работе в Physical Review Letters.
На самом деле исследовательская группа обнаружила, что существующая квантовая теория материалов не может адекватно объяснить появление этой структуры. Но они признали, что теория узлов может содержать некоторые подсказки.
«Мы пришли к выводу, что некоторые аспекты теории узлов очень хорошо объясняют квантовые свойства топологических материалов, которые раньше не понимались», — сказал Хасан. «Это первый известный нам пример применения теории узлов для понимания поведения топологических магнитов. И это очень интересно».
Полученные результаты продолжают и расширяют многолетний диалог между физикой и топологией, на этот раз привнося новые математические идеи для объяснения экспериментов с квантовыми ферромагнетиками. «Исторически сложилось так, что некоторые из наиболее важных научных открытий произошли, когда люди заметили новые связи между математикой и природными явлениями. Всегда интересно находить неожиданные примеры тонкой математики в наших экспериментах», — сказал Хасан. «Более того, было интересно, что математическая связь была в области топологии, которая продолжала появляться снова и снова в разных обличьях при изучении квантовых материалов ».
Исследователи намерены расширить свои исследования в нескольких направлениях. Хотя Хасан и его команда сосредоточили свои усилия на поведении топологических магнитов, они утверждают, что эта теория может помочь объяснить другие квантовые явления. «Мы считаем, что теорию узлов можно применять и ко многим другим топологическим проводникам, сверхпроводникам, кубитам и многим другим вещам», — сказал он.
И хотя исследователи не думали о практических применениях — «Мы занимались фундаментальными исследованиями», — подчеркнул Хасан, — их идеи могут помочь в развитии квантовых вычислений, особенно в разработке новых типов топологических кубитов.
