На поверхности мышьяка обнаружили невиданное ранее квантовое гибридное состояние
Исследуя квантовую топологию — аспекты волнового поведения частиц в контексте математической геометрии, группа ученых открыла необычное сочетание двух квантовых состояний, каждое из которых характеризует различные пути движения. «Это открытие стало для нас полной неожиданностью», — поделился физик Захид Хасан из Принстонского университета.
Топология приобретает всё большее значение для понимания свойств материалов, которые можно описать только через волновые характеристики, известные как квантовая материя. Работая с геометрией структур, которые устойчивы к сгибаниям и деформациям (но не к разрывам или проколам), топология оказывает влияние на квантовые процессы в материалах различными способами.
В этих исследованиях часто используются соединения на основе висмута, так как висмут эффективно функционирует как топологический изолятор — материал, внешний слой которого проводит активность, в то время как внутренний слой служит изолятором. Это означает, что внутренние электроны остаются неподвижными, в то время как на поверхности и по краям электроны могут свободно перемещаться.
Аналогично, мышьяк, который обычно применяется в полупроводниковых материалах, может также служить топологическим изолятором. Хасан и его команда исследуют новые квантовые состояния в топологических изоляторах, особенно тех, которые функционируют при комнатной температуре.
Материалы на висмутовой основе сложны в синтезе и требуют высоких температур для обработки. В отличие от этого, мышьяк можно вырастить в более чистой форме и он проще в обработке. Исследователи вырастили кристаллы серого мышьяка, имеющие металлический вид, и подвергли их воздействию магнитного поля.
Далее они использовали сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) для получения субатомных изображений и фотоэмиссионную спектроскопию для измерения энергетических состояний электронов. В результате обнаружили поверхностные состояния электронов, протекающие вдоль «беззазорных» поверхностей некоторых видов топологических изоляторов. Однако кроме этого, они нашли и краевые состояния на границах совершенно другого вида топологического изолятора, которые ранее никогда не наблюдались рядом с поверхностными состояниями.
«Мы были поражены, — сказал физик Шафаят Хоссейн из Принстонского университета. — Мы предполагали, что серый мышьяк обладает только поверхностными состояниями. Однако, исследуя края атомных ступеней, мы выявили явные проводящие краевые состояния». Исследователи пришли к выводу, что наблюдаемое состояние является гибридным, чего ранее не наблюдали.
«Обычно мы полагаем, что объемная полосовая структура материала относится к одному из нескольких отдельных топологических классов, каждый из которых связан с определенным типом граничного состояния, — отметил физик Дэвид Хсиех из Калифорнийского технологического института, не участвующий в исследовании. — Это исследование показывает, что некоторые материалы могут принадлежать сразу к двум классам».
Граничные состояния, возникающие в этих двух топологиях, могут взаимодействовать и формировать новое квантовое состояние, представляющее собой нечто большее, чем простая сумма его частей. Это открытие может проложить путь для создания новых видов квантовых материалов, что в свою очередь может продвинуть исследования в области квантовой физики и квантовых вычислений.
«Мы предполагаем, что мышьяк с его уникальной топологией может послужить новой платформой, аналогичной существующим, для разработки новых топологических материалов и квантовых устройств, — заключил Хасан. — Нас ждет захватывающий новый этап в развитии материаловедения и инновационной физики!».
