Ученые открыли новый способ существования материи, отличный от привычных твердых тел, жидкостей, газов или плазмы. Он возникает на границе двух необычных материалов, собранных в «сэндвич». Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Исследователи из Ратгерского университета изучили взаимодействие проводящего материала – вейлевского полуметалла – и магнитного изолятора, так называемого спинового льда, в условиях экстремально мощного магнитного поля.

Вейлевский полуметалл – это особый класс материалов, в котором электроны ведут себя так, как будто они являются вейлевскими фермионами – гипотетическими частицами, не имеющими массы и описываемыми уравнениями квантовой физики и теории относительности. Проще говоря, в таких материалах рождаются квазичастицы, которые ведут себя подобно безмассовым «фотонам электричества». Это позволяет электрическому току протекать через них с очень высокой эффективностью и минимальными потерями энергии, что делает вейлевские полуметаллы чрезвычайно перспективными для создания сверхбыстрой и энергоэкономной электроники.

Каждый из этих материалов сам по себе обладает уникальными и сложными свойствами.

Но их взаимодействие на границе ранее не изучали, – говорит Тсунг-Чи Ву, ведущий автор исследования. – Мы увидели новые квантовые фазы, которые возникают только при таком контакте. Это создает ранее неизвестное топологическое квантовое состояние материи в сильных магнитных полях.

Команда обнаружила, что на границе раздела электронные свойства вейлевского полуметалла меняются под влиянием магнитной структуры спинового льда. Это приводит к редкому явлению – электронной анизотропии, когда материал проводит ток по-разному в разных направлениях.

Ученые выяснили, что на условном круге в 360 градусов проводимость падает до минимума в шести конкретных направлениях. А при усилении магнитного поля электроны внезапно начинают течь в двух противоположных направлениях. Это соответствует квантовому феномену нарушения вращательной симметрии и указывает на новую квантовую фазу.

Открытие важно, потому что оно показывает новые способы управления свойствами материалов, – поясняет Ву.

Понимая, как электроны движутся в таких системах, можно в перспективе создать сверхчувствительные квантовые датчики магнитного поля для работы в экстремальных условиях – в космосе или внутри мощных установок.

Вейлевские полуметаллы проводят ток с высокой скоростью и почти без потерь благодаря особым квазичастицам – вейлевским фермионам. Спиновой лед – это магнитный материал, в котором магнитные моменты расположены подобно атомам водорода во льду. Их сочетание дает гетероструктуру – слоистый «бутерброд» из разнородных материалов.

Новые состояния материи часто проявляются в экстремуме: при сверхнизких температурах, высоком давлении или в сильных магнитных полях. Эксперименты вроде этого могут расширить фундаментальное понимание материи за пределы четырех классических состояний.

Это только начало, – говорит Ву. – Комбинируя разные квантовые материалы в гетероструктуры, мы открываем множество возможностей для исследований. Надеюсь, наша работа вдохновит физическое сообщество на изучение этих новых рубежей.

Эксперименты проводились в Национальной лаборатории сильных магнитных полей (МагЛаб) во Флориде, где можно достичь нужных ультранизких температур и полей.

Теоретическую поддержку обеспечила группа Джедедайи Пайксли.

Сотрудничество экспериментаторов и теоретиков – вот что сделало эту работу возможной, – отмечает Ву. – На осмысление результатов ушло больше двух лет. Мы продолжаем работать вместе как команда Ратгерса.

Исследование опирается на более раннюю работу тех же ученых, в которой они разработали и собрали уникальную установку Q-DiP (платформа для открытия квантовых явлений), чтобы создавать атомарно тонкие гетероструктуры из вейлевского полуметалла и спинового льда.

В той статье мы описали, как сделали гетероструктуру, – говорит руководитель проекта Джак Чакхалян. – А в новой статье в Science Advances рассказывается, на что она способна.

Основная перспектива лежит в области сверхчувствительной сенсорики. Умение управлять электронной анизотропией в таких гетероструктурах может привести к созданию квантовых датчиков магнитного поля нового поколения. Они будут способны улавливать ничтожные изменения поля, что критически важно для:

• Фундаментальной науки: изучение экзотических материалов, поиск темной материи.
• Медицины: улучшение разрешения магнитоэнцефалографии (МЭГ) и магнитокардиографии.
• Геологии и безопасности: обнаружение подводных объектов или скрытых полезных ископаемых.
• Космических технологий: навигация и исследования в условиях глубокого космоса.

Кроме того, исследование открывает новый путь в материаловедении – создание состояний «на заказ» путем комбинирования слоев с разными квантовыми свойствами, что является шагом к проектированию материалов с заданными функциями для электроники будущего.

Главный вопрос, на который пока нет ответа – насколько это новое состояние стабильно и управляемо вне условий экстремального эксперимента. Для наблюдения эффекта потребовались ультранизкие температуры и одно из сильнейших в мире магнитных полей, создаваемых в уникальной лаборатории (МагЛаб). Технологический прорыв станет возможным лишь в случае, если похожие явления удастся вызвать при более умеренных, доступных для практического применения условиях. Пока же речь идет о выдающемся, но сугубо фундаментальном открытии, путь которого до прикладного устройства может занять десятилетия.

Ранее ученые выяснили, что магнитное поле может заставить частицы крутиться в обратном направлении.