Физики предсказали существование новых топологических фаз кристаллических материалов

Wikimedia Commons

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».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.