По словам ученых, новое квантовое состояние, называемое квантовым жидким кристаллом, по-видимому, следует своим собственным правилам и обладает характеристиками, которые могли бы проложить путь для передовых технологических применений.

В статье, опубликованной в журнале Science Advances, команда исследователей под руководством Рутгерса описала эксперимент, который был сосредоточен на взаимодействии между проводящим материалом, называемым полуметаллом Вейля, и изолирующим магнитным материалом, известным как спиновый лед, когда оба они подвергаются воздействию чрезвычайно сильного магнитного поля. Оба материала по отдельности известны своими уникальными и сложными свойствами.

"Хотя каждый материал был тщательно изучен, их взаимодействие на этой границе оставалось совершенно неисследованным", - сказал Цунг-Чи Ву, который в июне получил докторскую степень в аспирантуре Рутгерса по физике и астрономии и является первым автором исследования. "Мы наблюдали новые квантовые фазы, которые возникают только при взаимодействии этих двух материалов. Это создает новое квантово-топологическое состояние материи при высоких магнитных полях, которое ранее было неизвестно".

Команда обнаружила, что на границе раздела этих двух материалов на электронные свойства полуметалла Вейля влияют магнитные свойства спинового льда. Это взаимодействие приводит к очень редкому явлению, называемому "электронной анизотропией", когда материал по-разному проводит электричество в разных направлениях. Они обнаружили, что в пределах круга в 360 градусов проводимость самая низкая в шести определенных направлениях. Удивительно, но когда магнитное поле увеличивается, электроны внезапно начинают течь в двух противоположных направлениях.

Это открытие согласуется с характеристикой, наблюдаемой в квантовом явлении, известном как нарушение вращательной симметрии, и указывает на возникновение новой квантовой фазы при сильных магнитных полях.

По словам Ву, полученные результаты важны, поскольку они раскрывают новые способы, с помощью которых можно контролировать свойства материалов и манипулировать ими. Понимая, как движутся электроны в этих специальных материалах, ученые потенциально могли бы разработать новые поколения сверхчувствительных квантовых датчиков магнитных полей, которые лучше всего работают в экстремальных условиях - например, в космосе или внутри мощных машин.

Полуметаллы Вейля - это материалы, которые позволяют электричеству протекать необычным образом с очень высокой скоростью и нулевыми потерями энергии благодаря особым релятивистским квазичастицам, называемым фермионами Вейля. С другой стороны, спиновый лед - это магнитные материалы, в которых магнитные моменты (крошечные магнитные поля внутри материала) расположены таким образом, который напоминает расположение атомов водорода во льду. Когда эти два материала объединяются, они создают гетероструктуру, состоящую из атомарных слоев разнородных материалов.

Ученые обнаружили, что новые состояния материи возникают в экстремальных условиях, включая очень низкие температуры, высокое давление или сильные магнитные поля, и ведут себя странным и завораживающим образом. По словам Ву, эксперименты, подобные эксперименту под руководством Рутгерса, могут привести к новому, фундаментальному пониманию материи, выходящему за рамки естественных четырех состояний материи.

"Это только начало", - сказал Ву. "Существует множество возможностей для изучения новых квантовых материалов и их взаимодействий при объединении в гетероструктуру. Мы надеемся, что наша работа также вдохновит сообщество физиков на исследование этих захватывающих новых рубежей".

Исследование проводилось с использованием комбинации экспериментальных методов под руководством главного исследователя проекта Джака Чахаляна, профессора экспериментальной физики факультета физики и астрономии имени Клода Лавлейса и соавтора исследования. Работа была теоретически поддержана Джедедайей Пиксли, доцентом кафедры физики и астрономии, также соавтором исследования.

"Сотрудничество эксперимента и теории - это то, что действительно делает работу возможной", - сказал Ву. "Нам потребовалось более двух лет, чтобы разобраться в результатах эксперимента. Заслуга принадлежит самому современному теоретическому моделированию и расчетам, выполненным группой Pixley, в частности Джедом Пиксли и Юэцин Чанг, исследователем-постдоком. Мы продолжаем наше сотрудничество, чтобы расширить границы этой области как команда Rutgers".

Большинство экспериментов было проведено в Национальной лаборатории сильных магнитных полей (MagLab) в Таллахасси, штат Флорида, которая обеспечила уникальные условия для изучения этих материалов при сверхнизких температурах и сильных магнитных полях.

"Нам пришлось инициировать сотрудничество и несколько раз приезжать в MagLab для проведения этих экспериментов, каждый раз совершенствуя идеи и методы", - сказал Ву. "Сверхнизкие температуры и высокие магнитные поля имели решающее значение для наблюдения этих новых явлений".

Исследование основано на предыдущих исследованиях под руководством Рутгерса, опубликованных ранее в этом году Чахаляном, Михаилом Кареевым, Ву и другими физиками. В отчете описывалось, как четыре года непрерывных экспериментов привели к новому методу проектирования и создания уникальной, крошечной, толщиной в атомы структуры, состоящей из полуметалла Вейля и спинового льда. Квантовую гетероструктуру было настолько сложно создать, что ученые разработали машину для ее создания: Q-DiP, сокращение от платформы для обнаружения квантовых явлений.

"В этой статье мы описали, как мы создали гетероструктуру", - сказал Чахалян. "Новая статья о достижениях науки рассказывает о том, что она может сделать".

Помимо Чахаляна, Ву, Чанга и Пиксли, в исследовании Rutgers участвовали Энг-Кун Ву, Майкл Терилли, Фангди Вен и Михаил Кареев.