Ученые Корнелла разрешили спор о природе загадочной квантовой частицы с помощью звуковых волн
В 2018 году исследователи из Японии заявили о том, что им удалось найти убедительные доказательства существования неуловимой частицы — майорановского фермиона — в квантовом спиновом жидком кристалле под названием трихлорид рутения. Майораны вызывают огромный интерес у специалистов по квантовым материалам, поскольку при их локализации они могут надежно кодировать информацию и формировать стабильный кубит — основу квантовых вычислений. Одни ученые приветствовали это открытие и использовали его для запуска собственных исследований, в то время как другие полагали, что этот прорыв, основанный на измерении так называемого теплового эффекта Холла, на самом деле является миражом, вызванным дефектами в образце материала.
Теперь исследователи Корнеллского университета вмешались в этот спор, и их результаты, опубликованные в журнале Nature, показывают, что обе стороны были неправы. Вместо измерения потока тепла команда под руководством Брэда Рэмшоу, доцента физики Колледжа искусств и наук, измеряла движение звуковых волн и обнаружила, что тепловой эффект Холла был вызван вращающимися колебаниями кристаллической решетки, известными как киральные фононы. «Дело не в том, что этот материал — волшебный, полный майорановских фермионов, которые позволят построить квантовый компьютер, — заявил Рэмшоу. — Но это также и не история о, по сути, "особых примесях", когда примеси в образцах отклоняют тепло в одну сторону вместо другой. Это новый внутренний эффект, который никто никогда раньше не видел».
Майораны необычны тем, что они являются своими собственными античастицами. Хотя они, возможно, никогда не будут получены в ускорителе частиц, они могут возникать в результате сложных взаимодействий между электронами в определенных квантовых материалах. Одним из таких кандидатов является трихлорид рутения, который примечателен тем, что является изолятором и поэтому не должен демонстрировать тепловой эффект Холла. В этом явлении к материалу, по которому течет тепло, прикладывается магнитное поле, и тепловой поток изгибается, что считалось невозможным для изолятора. Как пояснил Рэмшоу, электроны заряжены, поэтому они чувствуют силу поля при движении и знают, толкает ли их эта сила влево или вправо. Тепло, текущее через изолятор, переносится колебаниями решетки, но решетка не взаимодействует с полем и, следовательно, не отличает лево от права. Обнаружение теплового эффекта Холла в трихлориде рутения стало неожиданностью. Еще более удивительным было то, что эффект оказался квантованным, что предполагало перенос тепла майорановскими фермионами.
Это было смелое заявление, но данные, казалось, подтверждали его, и сообщество физиков квантовых материалов было крайне взволновано. Однако затем возникли проблемы с воспроизводимостью результатов и вопросы о том, у кого образцы лучше, как это обычно бывает в научных спорах. В конечном итоге другие исследователи не получили того же ответа. Альтернативное объяснение, заключающееся в том, что магнитные примеси отклоняют тепло, было столь же сложным для доказательства. Проблема, по словам Рэмшоу, в том, что в конечном итоге, пропуская тепло через образец и измеряя изменение температуры, невозможно узнать, что происходит на микроскопическом уровне. Тепло идет в одну сторону, а не в другую, но причина и механизм остаются неизвестными.
Чтобы понять, почему поток тепла изгибается, Рэмшоу и ведущий автор статьи, аспирант Ави Шрагай, разработали эксперимент с приложением магнитного поля и отслеживанием движения фононов — типа колебаний решетки, которые переносят тепло, путешествуя по материалу в виде звуковой волны, что по сути является звуковым аналогом фотонов. Используя ультразвуковые измерения того, как фононы движутся в магнитном поле, исследователи обнаружили, что пути фононов закручены, напоминая штопор. Этот так называемый акустический эффект Фарадея продемонстрировал, что образец обладает холловской вязкостью, которая вращает поляризацию фононов и также отклоняет их тепловые потоки.
Как объяснил Рэмшоу, аналогия с гравитацией здесь вполне уместна, поскольку искривление пространства-времени гравитацией массивной звезды похоже на то, как холловская вязкость добавляет «скручивание» к этому искривлению. Это явление не наблюдается во Вселенной, но может возникать внутри квантовых материалов, таких как хлорид рутения. Именно эта холловская вязкость и породила тепловой эффект Холла в трихлориде рутения. Когда звук направляется в решетку в одном направлении, он движется по спирали, и звуковые волны фактически вращают свою поляризацию. Звуковые волны напрямую не взаимодействуют с магнитными полями, но оказалось, что особое свойство этого материала, называемое спин-орбитальной связью, позволяет звуковым волнам различать левое и правое направление.
Хотя исследователи ранее теоретически предполагали, что холловская вязкость может быть использована для измерения новых и неуловимых состояний материи, это первый случай, когда она была экспериментально продемонстрирована. По словам Рэмшоу, этот метод теперь можно использовать для новых открытий, и то, что команда по сути получила, это очень тщательно обоснованный нулевой результат в ответ на чье-то смелое заявление. В будущем они планируют использовать эту технику для выдвижения собственных смелых гипотез.
Исследование в журнале Nature.