Ее часто называют «зеркальной асимметрией», потому что она проявляется в том, что у объекта есть лево- или правосторонняя форма. Это явление встречается в природе повсюду: от молекул и аминокислот до двойной спирали ДНК и закрученных раковин улиток.

И вот исследователи из Принстонского университета обнаружили скрытое хиральное квантовое состояние в материале, который раньше считался симметричным.

Это открытие ставит точку в спорах среди физиков и расширяет наши представления о возможном в квантовом мире.

В статье, опубликованной в Nature Communications, группа под руководством профессора физики М. Захида Хасана использовала новый сканирующий фотогальванический микроскоп (SPCM), чтобы выявить нарушенные симметрии в зарядовой волне KV₃Sb₅ — топологическом материале с решеткой кагоме. Это помогло разрешить давний спор: могут ли такие материалы спонтанно терять симметрию и формировать хиральные квантовые состояния.

Раньше подобное наблюдали только в нетопологических системах, но теперь впервые зафиксировали хиральный разрыв симметрии в объемном квантовом материале.

Это как навести телескоп Джеймс Уэбб на квантовый мир и увидеть то, чего раньше не замечали, — говорит Хасан.

Теперь мы можем различать тонкие квантовые эффекты, которые оставались скрытыми.

Решетка кагоме — это двумерный узор из переплетенных треугольников, названный в честь традиционных японских корзин. Долгое время ее считали абсолютно симметричной, но в 2021 году команда Хасана с помощью туннельного микроскопа (STM) обнаружила, что при определенных условиях KV₃Sb₅ образует необычную зарядовую волну — периодическое изменение электронной плотности. Это открытие, опубликованное в Nature, вызвало вопросы: может ли хиральность возникать в изначально симметричной решетке?

Спонтанный зарядовый порядок — это фазовый переход (как вода в лед), при котором электрические заряды выстраиваются в упорядоченную структуру. Но обнаружить, какие именно симметрии нарушаются в топологических материалах, было сложно: крошечные различия между лево- и правосторонними состояниями не улавливались обычными методами.

Аспирант Цзы-Цзя Чэн и постдок Шафаят Хоссейн создали микроскоп, который фиксирует реакцию материала на циркулярно поляризованный свет. В отличие от STM, SPCM не дает высокого разрешения, зато позволяет изучать оптические свойства и фотогальванические эффекты.

Ученые охладили кристалл до 4 кельвинов и пропустили через него свет с правой и левой поляризацией. При высоких температурах разницы не было, но после перехода в зарядовую волну ток стал зависеть от «закрученности» света — явный признак хиральности.

Мы четко увидели нарушение симметрии и подтвердили топологическую природу материала, — говорит Чэн. — Впервые доказано, что зарядовый порядок в топологическом материале может быть хиральным.

Но объяснения этому пока нет.

Мы зафиксировали явление, но не понимаем его до конца, — признает Хасан.

Тем не менее, открытие может пригодиться в оптоэлектронике и фотовольтаике. «Неожиданно, что хиральное состояние дает такой сильный отклик, — говорит Хасан. — Теперь мы знаем, что нелинейные измерения — мощный инструмент для изучения симметрий».

Разрыв симметрии — ключ к пониманию порядка в природе. Большинство физических теорий опираются на симметрию, но реальный мир асимметричен. Именно поэтому важно изучать, как и почему симметрии нарушаются: это помогает объяснить фазовые переходы, магнетизм, сверхпроводимость и топологические эффекты.

Это только начало, — говорит Хасан. — С такими инструментами нас ждут новые открытия в квантовых материалах.

Исследование основано на квантовом эффекте Холла, за открытие которого в 1985 году дали Нобелевскую премию. Позже Дэниел Цуи (Принстон) получил премию за дробный эффект Холла, а Дункан Холдейн — за теоретические работы по топологическим фазовым переходам. С 2007 года команда Хасана изучает топологические изоляторы, и теперь они обнаружили, что некоторые из них при низких температурах спонтанно приобретают хиральность.

Хотя открытие впечатляет, методология кажется спорной. SPCM — менее точный инструмент, чем STM, и без дополнительных экспериментов сложно исключить артефакты измерений. Кроме того, авторы не предложили теоретической модели, объясняющей хиральность, что оставляет простор для альтернативных интерпретаций.

Однако никто не оторицает, что этот результат важен для фундаментальной науки: он показывает, что даже в «симметричных» материалах могут скрываться неожиданные квантовые состояния. Практически это может привести к новым типам оптических сенсоров или элементов квантовых компьютеров, использующих хиральность для кодирования информации.

Ранее ученые создали новый сверхпроводник с хиральной структурой.