Квантовый материал ZrTe ₅ относится к классу так называемых топологических полуметаллов. В физике термин "топологический" описывает специальные материалы, которые благодаря своей уникальной электронной структуре обладают чрезвычайно надежными ("топологически защищенными") свойствами проводимости. В таких материалах квантовые эффекты могут привести к нетрадиционным и часто причудливым явлениям, которые могли бы сыграть решающую роль в продвижении будущих квантовых технологий. Примечательно, что как научные исследования, так и промышленность в настоящее время вкладывают значительные усилия в разработку квантовых компьютеров, и топологические материалы становятся многообещающим направлением для их реализации. Подобно ZRTE₅: он сочетает в себе редкий набор нетривиальных электронных свойств, что делает его потенциально актуальным для применения в высокоточной электронике и технологиях датчиков магнитного поля.

"Когда обычный металл, такой как серебро или медь, помещается в сильные магнитные поля при температурах, близких к абсолютному нулю, то есть -273,15 °C, ожидается, что его теплопроводность будет колебаться − яркий пример квантово-механической динамики электронов в металлах. Этот эффект возникает из-за существования так называемой поверхности Ферми, границы между занятыми и незанятыми энергетическими состояниями электронов в металле", - объясняет доктор Станислав Галески, в настоящее время доцент Университета Радбуда и приглашенный научный сотрудник Дрезденской лаборатории сильного магнитного поля (HLD) в HZDR. "С другой стороны, в полуметаллах очень мало электронов, доступных для переноса тепла, и поэтому широко распространено мнение, что в теплопроводности преобладают фононы − возникающие частицы, которые представляют колебания кристаллической решетки. Таким образом, квантовые колебания не должны быть обнаружены при переносе тепла", - резюмирует Галески более традиционные ожидания. Однако в нескольких недавних экспериментах были обнаружены гигантские квантовые колебания в теплопроводности полуметаллов, что ставит под сомнение механизм переноса тепла.

Противоречащий здравому смыслу механизм, удивительное поведение

Настоящее исследование демонстрирует, что это явление проистекает из очень нелогичного механизма переноса тепла в полуметаллах в условиях сильных магнитных полей. "Оказалось, что действительно, в тепловом переносе на сегодняшний день преобладают колебания решетки. Однако из-за присутствия сильных магнитных полей энергии электронов ограничиваются дискретными энергетическими уровнями. Этот процесс значительно усиливает взаимодействие между электронами и фононами. Следовательно, фононы наследуют некоторые свойства электронов и сами проявляют квантовые колебания при проводимости", - описывает процесс доктор Тони Хелм.

"Мы подтвердили существование этого нетрадиционного явления, изучив теплопроводность и затухание ультразвука в полуметаллическом ZRTE₅ в сильных магнитных полях и при температурах всего на долю градуса выше абсолютного нуля. В нашем эксперименте мы обнаружили четкие тепловые квантовые колебания с частотной характеристикой электронной подсистемы. Однако температурная зависимость их амплитуды четко соответствует характерному поведению фононов − явный признак того, что предложенный механизм работает", - вспоминает Галески.

Примечательно, что этот принцип не ограничивается zrte₅, а применим ко всем полуметаллам с низкой плотностью носителей заряда - независимо от того, являются ли они топологическими или нет. Известные примеры включают графен и висмут. Исследование предполагает, что теплопроводность колебаний решетки может служить чувствительным инструментом для изучения тонких квантовых эффектов, которые могут быть едва заметны другими средствами.