Квантна физика нам каже да се честице понашају као таласи и да је стога њихова позиција у простору непозната. Ипак, у многим ситуацијама, и даље је изузетно корисно размишљати о честицама на класичан начин — као сићушним објектима који се крећу од места до места одређеном брзином.
Кад физичари описују како електрична струја протиче кроз метале, на пример, замишљају електроне који јуре кроз материјал и који убрзавају или скрећу под утицајем електромагнетних поља.
Чак су и модернији приступи засновани на овој слици честица — као што је концепт тополошких стања, чије откриће је награђено Нобеловом наградом за физику 2016. Међутим, постоје материјали у којима се ова слика честица потпуно распада. У таквим случајевима, више нема смисла размишљати о електронима као малим честицама са добро дефинисаном позицијом или специфичном брзином.
Ипак показују тополошка својства
Сад су истраживачи са Универзитета за технологију у Бечу показали да такви материјали ипак могу показивати тополошка својства — иако су досад објашњавана помоћу понашања налик честицама. Ово демонстрира да су тополошка стања генералнија него што се раније мислило: два наизглед контрадикторна концепта испостављају се као компатибилна.
„Класична слика електрона као малих честица које доживљавају сударе док пролазе кроз материјал као електрична струја је изненађујуће моћна. Уз одређена усавршавања, функционише чак и у сложеним материјалима где електрони снажно реагују један с другим“, кажу научници.
Међутим, постоје и ситуације у којима изгледа да се ова слика потпуно распада и носиоци наелектрисања губе свој карактер честица. Изгледа да се то дешава у материјалу састављеном од церијума, рутенијума и калаја (ЦеРу₄Сн₆), који је сад истражен на екстремно ниским температурама.
„Близу апсолутне нуле, овај материјал показује специфичну врсту квантно-критичног понашања. Материјал флуктуира између два различита стања, као да не може да одлучи које од њих жели да усвоји. У овом флуктуирајућем режиму, сматра се да слика квазичестица губи значење“, кажу аутори студије.
Топологија
Независно од овог открића, материјал је такође испитан теоријски, што је довело до закључка да би требало да буде домаћин тополошким стањима.
„Термин топологија долази из математике, где се користи за разликовање одређених геометријских структура“, објашњавају истраживачи. „На пример, јабука је тополошки еквивалентна хлебној ролни, јер се та ролна може континуирано деформисати у облик јабуке. Међутим, ролна је тополошки различита од крофне, јер крофна има рупу која се не може створити континуираном деформацијом“.
На сличан начин, могу се описати стања материје: брзине и енергије честица — чак и оријентација њиховог спина у односу на правац њиховог кретања — могу пратити специфична геометријска правила. Ово је нарочито узбудљиво јер чини тополошка својства веома моћним.
Мали поремећаји, као што су дефекти у материјалу, не мењају ова својства — као што мале деформације не могу претворити крофну у јабуку. Због овога су тополошки ефекти од великог интереса за складиштење квантних информација, у новим типовима сензора и усмеравању електричних струја без магнетних поља.
Колико год се опис понашања честица помоћу топологије може чинити апстрактним и нејасним, такви описи су традиционално још увек индиректно ослоњени на класичну слику честица. Ове теорије претпостављају да се описује нешто са добро дефинисаним брзинама и енергијама.
„Међутим, изгледа да такве добро дефинисане брзине и енергије не постоје у нашем материјалу, пошто испољава облик квантно-критичног понашања за које се сматра да није компатибилно са сликом честица. Ипак, једноставни теоријски приступи који занемарују ове особине различите од честичних предвидели су раније да би материјал требало да показује тополошке карактеристике“, кажу научници.
Ово је представљало очигледну контрадикцију. На крају је радозналост превладала и почела да потрага за експерименталним доказима тополошких стања.
Холов ефекат
Заиста, при екстремно ниским температурама —мање од једног степена изнад апсолутне нуле — осмотрено је понашање које јасно указује на присуство тополошких стања: спонтани (аномални) Холов ефекат. У Холовом ефекту, носиоци наелектрисања обично скрећу под утицајем магнетног поља. Међутим, ово скретање може настати и због тополошких ефеката, чак и у одсуству спољног магнетног поља.
Посебно изузетно је то што се носиоци наелектрисања понашају као да су честице, иако се чини да слика честица није одговарајућа за овај материјал. То је био кључни увид који је омогућио да се без сумње покаже да преовлађујуће гледиште мора бити ревидирано.
„Осим тога, тополошки ефекат је најснажнији тачно тамо где материјал испољава највеће флуктуације. Кад се ове флуктуације сузбију притиском или магнетним пољима, тополошка својства нестају. Ово је било огромно изненађење – показује да тополошка стања треба дефинисати у генерализованим терминима“, кажу истраживачи.
Новооткривено стање називају „емергентни тополошки семиметал“. У сарадњи са Универзитетом Рајс у Тексасу развијен је нови теоријски модел способан да комбинује феномене квантне критичности и топологије.
„Заправо, испоставља се да слика честица није потребна за генерисање тополошких својстава. Концепт се заиста може генерализовати — тополошке разлике се тада појављују на апстрактнији, математички начин. Штавише, наши експерименти сугеришу да тополошка својства могу чак настати зато што стања налик честицама нису присутна“, кажу научници.
Откриће има значајне практичне импликације, пошто указује на нову стратегију за идентификацију тополошких материјала, преноси Пхис.Орг.
„Сад знамо да је вредно — можда чак и посебно вредно — тражити тополошка својства у квантно-критичним материјалима. Пошто се квантно-критично понашање дешава у многим класама материјала и може се поуздано идентификовати, ова веза може омогућити откривање многих нових 'емергентних' тополошких материјала“, кажу аутори.
Погледајте и: