Topologiset tilat ovat yleisempiä kuin on ajateltu

Kvanttifysiikka kertoo, että hiukkaset käyttäytyvät aaltojen tavoin, joten niiden sijainti avaruudessa on tuntematon. Silti monissa tilanteissa on edelleen huomattavan hyvä ajatella hiukkasia klassisella tavalla – pieninä kappaleina, jotka liikkuvat paikasta toiseen tietyllä nopeudella. Kun fyysikot esimerkiksi kuvaavat, miten sähkövirta kulkee metallien läpi, he kuvittelevat elektronien kiitävän materiaalin läpi sähkömagneettisten kenttien kiihdyttämänä tai ohjaamana.

Tähän hiukkaskuvaan perustuvat vieläkin uudemmat lähestymistavat – kuten topologisten tilojen käsite, jonka löydöstä myönnettiin Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 2016.

On kuitenkin olemassa materiaaleja, joissa hiukkaskuva pettää kokonaan. Tällaisissa tapauksissa ei ole enää järkevää ajatella elektroneja pieninä hiukkasina, joilla on hyvin määritelty sijainti tai ainutlaatuinen nopeus.

Nyt TU Wienin tutkimusryhmä on osoittanut, että tällaisilla materiaaleilla voi kuitenkin olla topologisia ominaisuuksia – vaikka niitä on tähän mennessä selitetty hiukkasmaisen käyttäytymisen avulla.

Monipolvisen tieteellisen epäilyjen ja lopulta uteliaisuuden kautta Silke Bühler-Paschenin ryhmälle selvisi, että topologiset tilat ovat yleisempiä kuin aiemmin on ajateltu.

”Tämä oli valtava yllätys”, sanoo Bühler-Paschen. ”Se osoittaa, että topologiset tilat tulisi määritellä yleistetysti.” Tiimi kutsuu äskettäin löydettyä tilaa emergentiksi topologiseksi puolimetalliksi ja on tehnyt yhteistyötä Rice Universityn kanssa, jossa Lei Chen kehitti uuden teoreettisen mallin, joka kykenee yhdistämään kvanttikriittisyyden ja topologian ilmiöt.

”Itse asiassa käy ilmi, että hiukkaskuvaa ei tarvita topologisten ominaisuuksien luomiseen”, Bühler-Paschen sanoo. ”Käsitettä voidaan todellakin yleistää – topologiset erot ilmenevät sitten abstraktimmalla, matemaattisella tavalla. Ja enemmänkin: kokeemme viittaavat siihen, että topologisia ominaisuuksia voi syntyä jopa siksi, että hiukkasmaisia ​​tiloja ei ole.”

Löydöllä on tärkeitä käytännön vaikutuksia, sillä se viittaa uuteen strategiaan topologisten materiaalien tunnistamiseksi. ”Tiedämme nyt, että on hyödyllistä – kenties jopa erityisen hyödyllistä – etsiä topologisia ominaisuuksia kvanttikriittisistä materiaaleista”, Bühler-Paschen sanoo. ”Koska kvanttikriittinen käyttäytyminen esiintyy monissa materiaaliluokissa ja se voidaan tunnistaa luotettavasti, tämä yhteys voi mahdollistaa monien uusien ’emergenttien’ topologisten materiaalien löytämisen.”

Aiheesta aiemmin:

Lomittumisessa voi olla tuhansia topologioita

Topologinen kvanttilaskenta askeleen lähemmäksi todellisuutta

Kvanttilomittuminen ja topologia ovat erottamattomia