Физики предсказали существование новых топологических фаз кристаллических материалов

2 сентября 2019
45

Международная группа ученых, куда вошел старший научный сотрудник СПбГУ Алексей Солуянов, показала, что существуют новые топологические фазы материалов, выходящие за рамки всех прежних классификаций. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, вносят вклад в решение фундаментальных вопросов физики, а также могут оказаться полезными при моделировании квантового компьютера.

Чтобы понять, что такое топологическая фаза, стоит вспомнить ленту Мебиуса, возможно знакомую многим еще из школьной программы. Если взять бумажную полоску и склеить ее концы — получится кольцо, однако если перевернуть один из концов полоски и тоже склеить — получится лента Мебиуса. Поворачивать один конец ленты относительно другого можно несколько раз, тогда у всех получившихся после склеивания фигур будет разное число вращения плоскости ленты. При этом без разрезания ленты они все не смогут стать идентичными, значит — они топологически различны. В виде ленты можно представить и квантовое состояние системы в одномерном кристалле: его описывает периодическая волновая функция, которую можно изобразить в виде векторов, сидящих на каждой точке кольца, или в виде такого же куска ленты.

Сегодня ученые по всему миру активно изучают различные топологические фазы материи: некоторые из них удается наблюдать во время экспериментов в лабораториях, другие — только теоретически предсказывать. Появляются они обычно при низких температурах. Цель многих из этих исследований — составить полную классификацию всех возможных фаз материи, которая позволит реализовать предсказания сложных фундаментальных квантовых теорий в кристаллах давно известных веществ, а также откроет путь к получению новых материалов с уникальными свойствами. Свой вклад в решение этой проблемы внесла исследовательская группа физиков-теоретиков из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария), Университета Цюриха (Швейцария), Стэнфордского университета (США) и СПбГУ. 

«Общепринятая классификация топологических фаз кристаллических материалов на момент нашей работы называется ten-fold way — она основана на рассмотрении дискретных симметрий в кристаллах, — рассказал Алексей Солуянов. — Включение в классификацию кристаллических симметрий обычно ведет к реализации топологических состояний, аналогичных тем, что описаны в ten-fold way. Однако наша работа показывает, что есть возможность получать абсолютно новые топологические состояния при наличии определенных кристаллических симметрий».

На примере расчетов с металлом скандием ученые предсказали существование ранее неизвестных топологических фаз, которые до этого не рассматривались в классификациях. Следующим шагом физиков станет теоретическое изучение свойств этих материалов, ведь потенциально они могут обладать необычными характеристиками.

Полученные результаты, как объяснил исследователь, в будущем могут оказаться полезными при моделировании квантового компьютера — пока что гипотетической мощной вычислительной машины, живущей по законам квантового мира. В квантовых компьютерах, отметил физик СПбГУ, малейшее возбуждение системы, например перепад температуры, может уничтожить все, что было сохранено. Однако изучение топологических фаз разных веществ позволит определить энергетическую щель — рамки, внутри которых может происходить внешнее возбуждение, а информация при этом не пострадает. «Кроме того, эта работа иллюстрирует, что физика простых кристаллических систем может помочь нам решать чрезвычайно сложные задачи, которые считаются в физике фундаментальными, — объяснил Алексей Солуянов. — Дело в том, что в кристаллических материалах нет сильных взаимодействий электронов, поэтому с ними работают простые физические теории. В последнее десятилетие оказалось, что в этих материалах существуют возбуждения, которые являются прямыми аналогами элементарных частиц, поэтому они позволяют нам симулировать и решать задачи из области физики элементарных частиц или физики гравитации. Главное — правильно провести аналогию».