Физици откриха нещо, което никой не е очаквал, скрито на повърхността на арсен под формата на кристал.

Докато провежда изследване, посветено на квантовата топология - вълновото поведение на частиците, съчетано с математиката на геометрията - екипът се натъква на странен хибрид от две квантови състояния, всяко от които описва различен начин на протичане на тока.

"Това откритие беше напълно неочаквано", казва физикът М. Захид Хасан от Принстънския университет. "Никой не го е предвидил на теория преди неговото наблюдение."

Топологията става все по-важна за разбирането на поведението на материалите, които могат да бъдат описани само чрез вълнови свойства, известни като квантова материя. Тя се занимава се с геометрията на структурите, които не се променят ефективно при огъване или изкривяване (но могат да се променят, ако бъдат счупени или пробити) и има потенциала да повлияе на квантовата активност на материалите по различни начини.

Голяма част от тези изследвания са свързани със съединения на основата на бисмут, тъй като този химичен елемент е ефективен топологичен изолатор - материал, чийто външен слой действа като проводник на активност, а вътрешният - като изолатор. Това означава, че електроните във вътрешността са неподвижни, но тези по повърхността и ръбовете могат да се движат свободно.

Арсенът, който обикновено се използва в полупроводниковите материали, може да се държи и като топологичен изолатор. Физиците, включително Хасан и неговият екип, търсят нови квантови състояния в топологичните изолатори, особено такива, които могат да работят при стайна температура.

Материалите на основата на бисмут са ни научили на изключително много, но те изискват високи температури и са сложни за синтез и приготвяне. За разлика от тях арсенът може да се отглежда във форма, която е по-чиста от бисмута и е по-проста за приготвяне. Затова изследователите отглеждат кристали от сив арсен, който има метален вид, и прилагат магнитни полета.

След това те изследват пробата с помощта на сканираща тунелна микроскопия (STM), която създава изображения в субатомни мащаби, и фотоемисионна спектроскопия, която измерва енергийните състояния на електроните.

Те откриват повърхностни състояния - електронни състояния, които протичат по повърхности "без пролуки" на някои видове топологични изолатори - което е нормално. Нетипичното в случая е, че се натъкват и на крайни състояния, които съществуват на границите на съвсем различен вид топологичен изолатор и никога досега не са били наблюдавани заедно с повърхностните състояния.

"Бяхме изненадани", казва физикът Мд. Шафаят Хосейн от Принстънския университет. "Предполагаше се, че сивият арсен има само повърхностни състояния. Но когато изследвахме краищата на атомните стъпала, открихме и красиви проводящи крайни режими".

Те могат само да заключат, че това, което наблюдават, е хибридно състояние, което никой не е виждал досега.

"Обикновено смятаме, че лентовата структура на даден материал попада в един от няколко различни топологични класа, всеки от които е свързан с определен тип гранично състояние", казва физикът Дейвид Хсиех от Калтех, който не е участвал в изследването.

"Тази работа показва, че някои материали могат да попадат едновременно в два класа. Най-интересното е, че граничните състояния, възникващи от тези два топологични класа, могат да си взаимодействат и да се реконструират в ново квантово състояние, което е нещо повече от суперпозиция на своите части."

Откритието може да разкрие нов вид квантови материали, което от своя страна може да допринесе за развитието на изследванията в областта на квантовата физика, както и на технологии като квантовите изчисления.

"Предвиждаме, че арсенът, с неговата уникална топология, може да служи като нова платформа на подобно ниво за разработване на нови топологични материали и квантови устройства, които понастоящем не са достъпни чрез съществуващите платформи", казва Хасан.

"Очаква ни нова вълнуваща граница в областта на материалознанието и новата физика!"

Изследването е публикувано в Nature.

Източник: Science Alert