Интернациональная научная команда, в составе которой был представитель от России — физик Санкт-Петербургского государственного университета Алексей Александрович Солуянов, доказала существование новых топологических фаз материалов, которые не могут быть включены ни в одну из существующих классификаций. Данные, полученные международной командой, были опубликованы в Science. Работа имеет огромное значение для решения фундаментальных задач физики. Кроме того, ее результаты могут значительно упростить создание модели квантового компьютера.
Для понимания сущности топологической фазы поможет лента Мебиуса, которую многие помнят со времен школы. Взяв полоску какого-то материала, например, бумаги, а затем склеив ее концы предварительно перевернув один из них, чтобы получилось замкнутое кольцо, вы получите ленту Мебиуса. Возможно многократное поворачивание одного конца ленты относительно второго ее конца, и все получившиеся после склеивания фигуры будут иметь разное число осей вращения плоскости ленты. И до тех пор, пока лента не будет разрезана, они не станут идентичными, другими словами, останутся топологически различными. Квантовое состояние системы в одномерном кристалле может быть условно принято за ленту. Оно описывается периодической волновой функцией, которая может быть изображена в виде векторов, расположенных на каждой из точек кольца, или в форме отрезка ленты.
В последние годы физиками всего мира активно изучаются разные виды топологических фаз материи. Какие-то их этих фаз получается увидеть на практике при проведении опытов, какие-то пока можно только предсказать. Основным из условий их появления являются низкие температуры. Целью большинства данных исследований было составление полной классификации, охватывающей все возможные фазы материи. Классификации, подходящей для реализации предсказания фундаментальных квантовых теорий в кристаллах уже хорошо изученных веществ. И, наконец, классификации, открывающей двери для синтеза новых уникальных материалов. Решением данной проблемы активно и плодотворно занимались физики-теоретики из Швейцарской Федеральной технической школы, из Университета в Цюрихе, Университета Стэнфорда и Санкт-Петербургского государственного университета.
Принятая в настоящее время классификация топологических фаз кристаллических материалов 10-fold way базируется на принципе инверсионных симметрий в кристалле, объясняет участник исследования из России А. А. Солуянов. Если включать в классификацию кристаллические симметрии, то чаще всего это реализует топологические состояния, похожие на описанные в 10-fold way. Но это последнее исследование доказало реальность получения качественно новых топологических состояний при условии кристаллических симметрий определенных видов.
Ученые для примера провели расчеты, используя как базу параметры скандия. В результате они предсказали топологические фазы данного металла, которые раньше не были известны, и соответственно, в действующие классификации они не были включены. В ближайших планах ученых — изучить свойства предсказанных материалов теоретически, так как они могут оказаться уникальными по своим характеристикам.
Как сказал российский физик, данные, полученные их международной командой, через какое-то время могут понадобиться в процессе создания квантового компьютера (гипотетически возможного сверхмощного компьютера, подчиняющегося законам квантового мира). В такой квантовой сверхмощной вычислительной машине, как считает Солуянов, даже еле заметное возбуждение системы, к примеру, изменение температуры, способно стереть всю сохраненную до этого информацию. Поэтому исследование топологических фаз различных веществ очень важно, это дает возможность найти границы внешнего возбуждения, в пределах которых не страдает база данных компьютера, другими словами, найти, так называемую, энергетическую щель.
Данное исследование стало своеобразной иллюстрацией положительного влияния физики простых кристаллических систем на решение мега-сложных проблем фундаментальной физики, добавил Алексей Александрович. В кристаллических материалах нет выраженного взаимодействия между электронами, а значит простые физические теории в них верны. Около десяти лет назад было доказано существование в этих материалах возбуждения, аналогичного возбуждению элементарных частиц. Это сделало возможными симулирование и решение задач физики элементарных частиц или физики гравитации. Правильная аналогия может стать чрезвычайно полезным открытием!
Гарантия
Сервис
Подбор
Госзакупки
