На границе двух редких материалов — полуметалла Вейля и спинового льда — ученые из Ратгерского университета обнаружили новое квантовое состояние материи, которое получило название квантовый жидкий кристалл, сообщает Science. Оно не подчиняется обычным законам симметрии, а электроны в нем ведут себя совершенно иначе, чем в известных науке веществах.
Полуметаллы Вейля — это материалы, в которых электроны движутся почти без сопротивления, словно свет, благодаря особым квазичастицам — фермионам Вейля. Спиновый лед — это магнитный материал, где микроскопические магнитные моменты (спины) располагаются, напоминая структуру льда из воды. Каждый из этих материалов давно изучается физиками, но их взаимодействие при мощном магнитном поле оставалось неизведанным.
Команда объединила их в атомно-тонкую структуру и поместила в экстремальные условия — температура приближалась к абсолютному нулю, а магнитное поле достигало десятков тесла. В этих условиях исследователи зафиксировали необычное явление — электронную анизотропию. В шести из 360 направлений ток проходил хуже всего. А при усилении магнитного поля электроны внезапно начинали двигаться только в двух противоположных направлениях, что указывало на нарушение вращательной симметрии.
![(A) Кристаллическая структура материалов EIO и DTO вдоль направления [111]: ионы в этих пирохлорах образуют сложную решетку из тетраэдров, чередующихся в виде треугольных и кагоме-слоев. Спиновая структура подрешеток отличается: у ионов Ir в EIO — «четыре внутрь, четыре наружу», у ионов Dy в DTO — «два внутрь, два наружу». (B) Экспериментальная схема: измерения проводимости проводились на гетероструктуре EIO/DTO, где EIO — полуметалл Вейля, а DTO — спиновый лед. Образец выращен на немагнитной подложке, ток подается вдоль плоскости. Вставка показывает изображение границы между слоями, полученное с помощью туннельного микроскопа. (C) График зависимости удельного сопротивления от температуры: видно резкое изменение сопротивления и его плато при температурах ниже 0,3 К. На вставке — аналогичные данные для контрольного образца только с EIO](https://resizer.mail.ru/p/8a8dd614-c55d-560a-95a4-1dc5b90dd94b/dpr:200/scale:50/AQA44bqYKjDV91mb1LVZUdDgWQG5SGrDayzn_g-8nLVW3L_9OE-VwCUgV7jhPLaQD5IPIpp736Pz0T7c_cq9_ZFcJhE.webp "(A) Кристаллическая структура материалов EIO и DTO вдоль направления [111]: ионы в этих пирохлорах образуют сложную решетку из тетраэдров, чередующихся в виде треугольных и кагоме-слоев. Спиновая структура подрешеток отличается: у ионов Ir в EIO — «четыре внутрь, четыре наружу», у ионов Dy в DTO — «два внутрь, два наружу». (B) Экспериментальная схема: измерения проводимости проводились на гетероструктуре EIO/DTO, где EIO — полуметалл Вейля, а DTO — спиновый лед. Образец выращен на немагнитной подложке, ток подается вдоль плоскости. Вставка показывает изображение границы между слоями, полученное с помощью туннельного микроскопа. (C) График зависимости удельного сопротивления от температуры: видно резкое изменение сопротивления и его плато при температурах ниже 0,3 К. На вставке — аналогичные данные для контрольного образца только с EIO")
Такое поведение — признак появления новой квантовой фазы вещества. Причем она не существует ни в одном из материалов по отдельности, а возникает только на их границе при воздействии сильного магнитного поля. По мнению исследователей, эти свойства могут лечь в основу новых квантовых датчиков, способных точно фиксировать поля, давление или температуру в экстремальных условиях, например, в космосе или внутри ускорителей частиц.
Чтобы добиться таких результатов, группе понадобилось четыре года экспериментов и специально разработанная платформа Q-DiP для изучения квантовых эффектов на наноуровне. Исследование стало возможным благодаря тесному сотрудничеству теоретиков и экспериментаторов и проводилось в Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, как квантовое превосходство изменит мир к 2050 году.
