Ученые выявили новое, ранее неизвестное состояние материи, которое не укладывается в привычные категории твердого тела, жидкости, газа или плазмы.
Физики из Университета Ратгерса выявили новое квантовое состояние — «жидкий квантовый кристалл» — на границе двух экзотических материалов, которые образуют тончайший «сэндвич». Наличие этого ранее неизвестного состояния материи может пояснить удивительные явления, возникающие в экстремальных условиях — в данном случае при действии сверхсильного магнитного поля.
Речь идет об уникальной квантовой фазе, которая проявляется при взаимодействии проводящего материала, известного как вейлевский полуметалл, и магнитного изолятора, называемого спиновым льдом. Уникальные физические свойства каждого из этих материалов изучались учеными на протяжении долгого времени, однако их совместное поведение оставалось неизученным до недавнего времени. Один из авторов исследования, доктор Цзун-Чи У, отметил, что ранее подобное взаимодействие даже не считалось возможным. Однако именно в этой пограничной области проявились свойства, которые могут открыть путь к новым технологиям на основе квантовых эффектов.
На границе между вейлевским полуметаллом и спиновым льдом было зафиксировано явление, известное как электронная анизотропия — это означает, что электрический ток в данной области протекает в разных направлениях с разной интенсивностью. Физики установили, что в пределах круга в 360 градусов существует ровно шесть направлений, в которых проводимость значительно ниже, чем в остальных. Более того, при увеличении магнитного поля электроны начинают двигаться сразу в двух противоположных направлениях, что является редким эффектом и указывает на нарушение вращательной симметрии, характерной для некоторых квантовых состояний.
По мнению ученых, их открытие даст возможность управлять свойствами материалов на фундаментальном уровне. Понимание поведения электронов в таких необычных условиях может привести к разработке нового поколения высокочувствительных квантовых сенсоров, которые смогут работать в экстремальных средах — например, в космосе или внутри мощных машин. Особый интерес вызывает тот факт, что вейлевские полуметаллы способны проводить электричество без потерь, а спиновые льды обладают внутренней структурой, напоминающей размещение водородных атомов в обычном льде, но в контексте магнитных моментов.
Новые квантовые фазы материи проявляются, как правило, исключительно при крайне низких температурах, высоком давлении или сильных магнитных полях. В данном случае все эти условия были выполнены, а эксперименты проводились на уникальном оборудовании Национальной лаборатории высоких магнитных полей во Флориде. Сотрудничество между экспериментальной и теоретической группами сыграло важную роль в интерпретации полученных результатов. Как отметил Цзун-Чи У, для понимания новых эффектов им потребовалось более двух лет и тесное взаимодействие с теоретиками, в частности, с группой профессора Джеда Пиксли.
Это открытие — лишь начало пути. Возможности, которые открываются при комбинации квантовых материалов, могут оказаться гораздо шире, чем предполагалось ранее. Физики надеются, что их работа вдохновит научное сообщество на дальнейшее изучение этих загадочных и многообещающих состояний материи.
Фото: hi-tech.mail.ru