Ученые получили первые экспериментальные свидетельства существования четырехчастных топологических квазичастиц в неорганическом соединении — силициде кобальта (СoSi). Открытие может быть использовано для создания уникальных материалов с контролируемыми свойствами — топологических изоляторов.

Статья об этом опубликована в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

Топологические изоляторы — материалы, которые внутри своего объема являются диэлектриками (не проводят ток), а их поверхность служит хорошим проводником. Существование таких материалов предсказывали еще в 1980-х, а впервые получили только в 2007 году. Поверхностное состояние топологического изолятора — новый тип двумерного электронного газа, где спин электрона зависит от собственного движения частицы, то есть связан с его импульсом.

Международная группа ученых из Франции, Германии, Китая и США проводила оптические эксперименты для изучения того, как свет взаимодействует с топологическими изоляторами. Основой для их опытов стали более ранние эксперименты с использованием импульсного лазера, которые навели физиков на мысли об уникальных топологических особенностях силицида кобальта. Этот материал изучали и раньше, но новые данные позволили подобрать теоретическое обоснование его свойствам.

Геометрическая интерпретация тройных (слева) и четверных (справа) фермионов / Jörn Venderbos

Более подробное исследование оптической проводимости силицида кобальта позволило ученым сделать много интересных выводов. Самое главное — авторам работы удалось обосновать существование в этом материале четверных фермионов. У этих экзотических частиц нет аналогов в квантовой физике, однако комбинация экспериментальных данных и теоретического моделирования подтверждает их наличие в CoSi.

Поскольку силицид кобальта относится к семейству материалов с очень распространенной кристаллической структурой, этот материал можно использовать для создания специальных сплавов с металлами. Подобные сплавы можно конструировать таким образом, чтобы их свойствами получалось управлять. Дальнейшая работа в этой области позволит найти топологическим изоляторам практическое применение: например, они могут использоваться как носители информации в квантовых компьютерах.