Vědcům se podařilo odhalit topologické vlastnosti v kvantově kritickém stavu materiálu, kde klasický popis pomocí částic selhává. Nový objev přepisuje dosavadní chápání topologických fází a otevírá nové možnosti ve výzkumu kvantových materiálů.
Revoluční objev v oblasti kvantové fyziky zpochybňuje základní principy o stavech hmoty. Mezinárodní výzkumný tým se spolupracovníky z Rakouska a Spojených států poprvé ukázal, že je možné nalézt topologické vlastnosti v materiálu, který se nachází v kvantově kritickém stavu, tedy v režimu, kdy jednotlivé částice nebo kvazičástice již nejsou dobře definovány a zcela převládá kolektivní chování elektronů.
Tento objev, publikovaný v prestižním časopise Nature Physics, si vynucuje teoretickou redefinici toho, co se rozumí „topologickou fází“, a otevírá novou cestu pro konstrukci materiálů s exotickými vlastnostmi. Doposud byla většina topologických fází popisována ve smyslu elektronů, které se chovají jako přesně definované kvazičástice pohybující se v relativně jasných energetických pásmech. Nová práce ukazuje, že tento obraz je příliš omezený: topologie může přežít, a dokonce se zrodit, v prostředí, kde takový popis již nedává smysl.
Výzkum se zaměřil na sloučeninu CeRu₄Sn₆, materiál, který patří do rodiny tzv. těžkých fermionů. V těchto systémech se elektrony chovají, jako by měly efektivní hmotnost stokrát větší než volný elektron, a to díky intenzivním interakcím mezi vodivostními elektrony a pevně vázanými elektrony atomů ceru. Již dříve bylo známo, že takové materiály vykazují extrémní jevy, jako je neobvyklý magnetismus nebo nekonvenční supravodivost.
Související článek
Když se CeRu₄Sn₆ ochladí na extrémně nízkou teplotu blízkou absolutní nule (pod zlomek kelvinu), přejde do kvantově kritického stavu. V tomto režimu se materiál nachází v blízkosti kvantového kritického bodu, jakési „hranice“ mezi dvěma různými fázemi hmoty, která se nepřekračuje změnou teploty, ale úpravou parametrů, jako je tlak, chemické složení nebo magnetické pole.
V této fázi se přechody neřídí teplotou, ale parametry, jako je tlak nebo magnetické pole, a co je nejzvláštnější: mizí kvazičástice, klíčové entity pro popis elektronického chování v pevných látkách. V běžném kovu lze elektrony popsat jako kvazičástice, které se pohybují téměř volně; v kvantově kritickém stavu jsou však fluktuace tak intenzivní, že se tento obraz rozpadá a systém se chová jako silně korelovaná „kvantová tekutina“.
Velkou otázkou, kterou studie řešila, bylo, jak mohou topologické vlastnosti, tradičně popisované pomocí konceptu definovaných částic a elektronických pásů, existovat v tak chaotickém a delokalizovaném prostředí. Topologie v tomto kontextu označuje globální vlastnosti systému – jako je přítomnost robustních okrajových stavů nebo chráněných křížení v energetickém spektru – které nelze odstranit malými poruchami. Pokud však již neexistují žádné dobře definované kvazičástice, co přesně je „topologické“?
Nečekaný experimentální podpis
Odpověď přineslo jasné měření: detekce spontánního Hallova jevu. Při klasickém Hallově jevu vzniká v materiálu vystaveném elektrickému proudu a vnějšímu magnetickému poli příčné napětí. V některých magnetických nebo topologických materiálech se však příčné napětí může objevit i bez působení vnějšího magnetického pole: jedná se o tzv. anomální nebo spontánní Hallův jev, experimentální podpis charakteristický pro stavy s topologickou elektronickou strukturou a často i s narušením určitých vnitřních symetrií.
V případě CeRu₄Sn₆ se tento jev objevil právě v režimu velmi nízkých teplot spojených s kvantově kritickým stavem, což potvrzuje přítomnost základního topologického uspořádání. Vědci pozorovali, že po ochlazení materiálu a úpravě experimentálních podmínek se objevil příčný Hallův signál bez přiloženého magnetického pole, který nelze vysvětlit nečistotami, vířivými proudy ani jinými konvenčními efekty.
Data ukázala, že tento efekt je materiálu vlastní a není experimentálním artefaktem, přičemž signál byl přibližně 100krát silnější než signál pozorovaný u jiných známých topologických materiálů. Tato neobvykle vysoká intenzita naznačuje, že elektronický stav CeRu₄Sn₆ je nejen topologický, ale také silně zesílený elektron-elektronovými interakcemi, což u jiných systémů nebylo pozorováno s takovou jasností.
Toto zjištění naznačuje, že topologie může být emergentní vlastností vyplývající ze silných kolektivních interakcí a korelací mezi elektrony, a to i při absenci dobře definovaných jednotlivých částic, které konvenční teorie vyžaduje. Místo toho, abychom uvažovali o jednotlivých elektronech pohybujících se v pevné krajině, představme si kvantové moře, ve kterém se všechny elektrony navzájem ovlivňují a ve kterém může být celková organizace tohoto moře topologická.
K ověření této myšlenky vědci zkombinovali měření elektrického transportu se spektroskopickými technikami a pokročilým teoretickým modelováním. Jedním z klíčových úkolů bylo studovat, jak se Hallova odezva mění s měnící se teplotou a dalšími parametry, a porovnat ji s tím, co by předpověděl čistě kvazičásticový model. Rozpor mezi oběma přístupy jasně ukázal, že je zapotřebí nový teoretický jazyk.
Nový teoretický rámec bez kvazičástic
Vědci navrhli nový teoretický rámec, který k identifikaci topologických přechodů v systému využívá spektrální funkce, nikoli koncept kvazičástic. Spektrální funkce zjednodušeně popisuje, jak jsou elektronické stavy rozloženy co do energie a hybnosti, když jsou interakce velmi silné. Místo ostrých vrcholů spojených s přesně definovanými kvazičásticemi se objevují širší a rozptýlenější struktury, které však stále zachovávají informaci o celkové organizaci systému.
Tento model dokonale podpořil experimentální data a ukázal, že v této rozmazané kvantové krajině mohou přetrvávat topologické uzly, podobné Weylovým bodům. Weylovy polokovy jsou materiály, v nichž se energetické pásy kříží v izolovaných bodech v prostoru hybnosti, čímž vznikají kvazičástice, které se chovají jako Weylovy fermiony s velmi zvláštními vlastnostmi, jako je chiralita a anomální elektromagnetické odezvy.
V konvenčním systému jsou tyto Weylovy body popsány jako čisté přechody mezi přesně definovanými pásy. V CeRu₄Sn₆ však výpočty ukazují, že přežívají jako topologické struktury ve spektrální funkci, a to i tehdy, když se pásy stanou rozmazanými v důsledku silných korelací. Jinými slovy, topologický „otisk“ nezmizí, ale je přepsán do obecnějšího jazyka.
Tento přístup se opírá o pokročilé numerické nástroje, jako je dynamická teorie středního pole (DMFT), která umožňuje realistické zpracování elektron-elektronových interakcí v materiálech s těžkými fermiony. Kombinací DMFT s výpočty elektronické struktury podle prvních principů (jako je teorie funkcionálu hustoty, DFT) se týmu podařilo rekonstruovat topologickou krajinu CeRu₄Sn₆ v kvantově kritickém režimu a porovnat ji s měřeními transportu.
Topologická kopule nad kvantově kritickým bodem
Tento objev naznačuje, že extrémní fluktuace charakteristické pro kvantově kritický bod neničí topologický řád, ale mohou být mechanismem, který jej stabilizuje a vytváří „topologickou kopuli“ ve fázovém diagramu materiálu. V těchto diagramech je znázorněno, jak se mění stav systému při změně parametrů, jako je teplota a tlak. V mnoha materiálech s těžkými fermiony byla pozorována „kopule“ supravodivosti pokrývající kvantový kritický bod; zde se však objevuje kopule topologického chování.
Uvnitř této kopule se materiál chová jako silně korelovaný topologický polokov, jehož transportní vlastnosti se velmi liší od vlastností běžného kovu. Mimo kopuli může systém vypadat jako běžnější kov nebo přijmout jiné fáze, ale v kvantově kritické oblasti dochází k neobvyklé kombinaci silných fluktuací a robustního topologického uspořádání.
Tato myšlenka topologické kopule má hluboké důsledky: naznačuje, že topologie není jen vlastností „čistých“, málo interagujících systémů, ale může se objevit právě tam, kde jsou interakce nejsilnější a hmota se chová nejkolektivněji. Spíše než detail přidaný k fyzice materiálů by topologie mohla být ústředním prvkem v popisu mnoha silně korelovaných kvantových systémů.
Od teorie k aplikacím: nová mapa kvantové hmoty
Tento průlom není jen teoretickou zajímavostí, ale nově definuje pravidla pro hledání nových materiálů s topologickými vlastnostmi. Naznačuje, že systémy vykazující kvantové fázové přechody, které byly dříve studovány především kvůli exotickému magnetismu nebo supravodivosti, by mohly skrývat topologické fáze, které se odhalí až za extrémních podmínek teploty, tlaku nebo magnetického pole.
V praxi se tak otevírá neprobádaná cesta pro konstrukci kvantových materiálů s potenciálním využitím v technologiích nové generace. Například ve spintronice je cílem manipulovat se spinem elektronů (kvantová vlastnost související s magnetismem), aby bylo možné ukládat a zpracovávat informace s nižší spotřebou energie než v běžné elektronice. Topologické materiály nabízejí velmi robustní vodivé kanály, méně citlivé na defekty a poruchy, což by mohlo vést ke stabilnějším a účinnějším zařízením.
V oblasti kvantových počítačů odolných proti poruchám jsou topologické fáze obzvláště atraktivní, protože jejich kvantové stavy jsou chráněny proti mnoha vnějším poruchám. Ačkoli CeRu₄Sn₆ není sám o sobě materiálem pro stavbu kvantového počítače, princip, který odhaluje – že topologie může koexistovat se silnými korelacemi a kritickými stavy – rozšiřuje katalog systémů, v nichž by bylo možné hledat odolnější topologické qubity.
Navíc skutečnost, že pozorovaný spontánní Hallův jev je tak silný, naznačuje možné aplikace ve vysoce citlivých magnetických senzorech nebo v zařízeních, která využívají nelineární odezvy elektrického proudu. V kombinaci s dalšími kvantovými jevy, jako je supravodivost nebo nelineární magnetismus, by mohly vzniknout zcela nové funkce.
Změna paradigmatu ve fyzice kondenzované hmoty
Kromě konkrétních aplikací má výsledek hluboký koncepční dopad. Po desetiletí popisovala fyzika kondenzovaných látek většinu kovů a izolantů v podobě kvazičástic pohybujících se v přesně definovaných energetických pásmech. Zavedení topologie přidalo do tohoto obrazu novou vrstvu, ale stále se do značné míry opíralo o stejný jazyk.
Studie CeRu₄Sn₆ ukazuje, že je možné mít topologické polokovy bez kvazičástic v tradičním smyslu. Proto je nutné rozšířit definice topologické fáze a vyvinout nástroje, které budou fungovat i v režimu silně korelované hmoty. V praxi to znamená, že mnoho materiálů, které byly dříve považovány za příliš „chaotické“ nebo „složité“ na to, aby v sobě skrývaly topologii, může ve skutečnosti skrývat hluboké topologické struktury.
Tento posun v perspektivě se přidává k dalším nedávným pokrokům, které rozšiřují koncept uspořádání v látce, od topologických izolátorů a Weylových polokovů až po spinové kvantové fáze a spinové kapaliny. Ve všech těchto případech je klíčové, že řád se neprojevuje ve viditelných vzorcích, jako je krystal nebo magnet, ale v globálních vlastnostech kvantové vlnové funkce systému.
V tomto kontextu objev topologických vlastností v kvantovém kritickém stavu nejenže přidává novou kapitolu, ale naznačuje, že jsme zdaleka nevyčerpali „abecedu“ možných stavů hmoty. S vývojem nových experimentálních technik – jako jsou spektroskopické sondy s vyšším rozlišením nebo měření transportu za extrémních podmínek – se pravděpodobně objeví další příklady vznikající topologie v silně korelovaných systémech.
Co bude dál: Zkoumání dalších kritických materiálů
Přirozeným dalším krokem po této práci bude hledání podobných jevů v jiných sloučeninách těžkých fermionů a v materiálech blízkých kvantově kritickým bodům jiné povahy (například mezi různými magnetickými fázemi nebo mezi kovem a izolantem). Pokud se ukáže, že „topologická kopule“ pozorovaná v CeRu₄Sn₆ je obecným jevem, mohla by se stát vodítkem pro zkoumání komplexních fázových diagramů při hledání nových kvantových fází.
Bude také klíčové lépe pochopit roli krystalových symetrií a lokálních magnetických momentů ceru při stabilizaci topologických uzlů. V mnoha topologických materiálech přítomnost či nepřítomnost určitých symetrií (jako je prostorová inverze nebo časová symetrie) určuje, jaké topologické stavy mohou existovat. V kvantově kritickém prostředí, kde jsou fluktuace intenzivní, mohou být tyto symetrie porušeny jemným nebo dynamickým způsobem, což vede k ještě bohatším scénářům.
V konečném důsledku takové studie přispívají k širšímu cíli: sestavit „fázovou mapu“ kvantové hmoty, která zahrnuje nejen klasické stavy (pevná látka, kapalina, plyn) a jejich kvantové verze (supratekuté látky, supravodiče), ale také nesčetné topologické a silně korelované fáze, které teorie umožňuje a které začínají odhalovat experimenty.
Nový design hmoty stále více zahrnuje kombinaci tří složek: topologie, silných korelací a jemné experimentální kontroly parametrů, jako je tlak, složení a magnetické pole. Případ CeRu₄Sn₆ ukazuje, že když se tyto prvky sladí, mohou se objevit kvantové stavy, které by se ještě před několika lety zdály nemožné i na papíře.