Группа физиков, включая доцента Массачусетского университета Тиграна Седракяна, недавно объявила в журнале Nature , что они открыли новую фазу материи. Открытие, названное «хиральным бозе-жидким состоянием», открывает новый путь в вековых попытках понять природу физического мира.
В повседневных условиях вещество может быть твердым, жидким или газообразным. Но как только вы отважитесь выйти за пределы обыденности — к температурам, приближающимся к абсолютному нулю, к вещам размером меньше доли атома или обладающим чрезвычайно низкими энергетическими состояниями, — мир выглядит совсем по-другому. «На этих окраинах можно обнаружить квантовые состояния материи, — говорит Седракян, — и они гораздо более дикие, чем три классических состояния, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни».
Седракян провел годы, исследуя эти дикие квантовые состояния, и его особенно интересует возможность того, что физики называют «вырождением полос», «полосами рвов» или «кинетическими расстройствами» в сильно взаимодействующей квантовой материи.
Как правило, частицы в любой системе сталкиваются друг с другом и при этом вызывают предсказуемые эффекты, как бильярдные шары, сталкивающиеся друг с другом, а затем реагирующие по предсказуемой схеме. Другими словами, эффекты и частицы коррелируют. Но в фрустрированной квантовой системе есть бесконечные возможности, возникающие в результате взаимодействия частиц — например, бильярдный шар левитирует или отлетает под невозможным углом — и некоторые из этих бесконечных возможностей могут привести к новым квантовым состояниям.
Что Седракян и его коллеги сделали, так это разработали машину разочарования: двухслойное полупроводниковое устройство. Верхний слой богат электронами, и эти электроны могут свободно перемещаться. Нижний слой заполнен «дырками» или местами, которые может занимать блуждающий электрон. Затем два слоя сближаются очень близко друг к другу — межатомно сближаются.
Если бы число электронов в верхнем слое и дырок в нижнем было бы одинаковым, то можно было бы ожидать, что частицы действуют коррелированным образом, но Седракян и его коллеги спроектировали нижний слой так, что существует локальный дисбаланс между количество электронов и дырок в нижнем слое. «Это похоже на игру «музыкальные стулья», — говорит Седракян, — предназначенную для того, чтобы расстраивать электроны. Вместо того, чтобы у каждого электрона был один стул, на который он мог бы пойти, теперь они должны карабкаться и иметь много возможностей, где они «сидят»».
Это разочарование запускает новое киральное граничное состояние, которое имеет ряд удивительных характеристик. Например, если вы охладите квантовую материю в хиральном состоянии до абсолютного нуля, электроны застынут в предсказуемой схеме, и возникающие в этом состоянии частицы с нейтральным зарядом будут вращаться либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Даже если вы врежете другую частицу в один из этих электронов или создадите магнитное поле , вы не сможете изменить его спин — он удивительно надежен и может даже использоваться для кодирования цифровых данных отказоустойчивым способом.
Еще более удивительно то, что происходит, когда внешняя частица врезается в одну из частиц в состоянии хирального края. Возвращаясь к метафоре с бильярдным шаром, вы ожидаете, что восьмерка полетит, когда в нее врежется биток. Но если бы бильярдные шары находились в хиральном состоянии бозе-жидкости, все 15 из них реагировали бы точно так же при ударе по шару-восьмерке. Этот эффект связан с дальнодействующей запутанностью, присутствующей в этой квантовой системе.
Состояние хиральной бозе-жидкости трудно наблюдать, поэтому оно так долго оставалось скрытым. Для этого группа ученых, включая физиков-теоретиков Руи Вана и Байгенга Вана (оба из Нанкинского университета), а также физиков-экспериментаторов Линцзе Ду (Нанкинский университет) и Руй-Руй Ду (Пекинский университет), разработала теорию и эксперимент, которые использовали чрезвычайно сильное магнитное поле, способное измерять движения электронов, когда они мчатся за стульями.
«На краю двухслойного полупроводника электроны и дырки движутся с одинаковыми скоростями», — говорит Линджи Ду. «Это приводит к спиралевидному транспорту, который может быть дополнительно модулирован внешними магнитными полями, поскольку каналы электронов и дырок постепенно разделяются в более высоких полях».
Таким образом, магнитотранспортные эксперименты успешно обнаруживают первое свидетельство существования хиральной бозе-жидкости, которую авторы в опубликованной статье также называют «экситонным топологическим порядком».
