Физики обнаружили гибридное топологическое квантовое состояние в элементарном кристалле альфа-мышьяка. Для этого они применили туннельную и фотоэмиссионную микроскопию, а также теоретический анализ.

Результаты исследования опубликованы в Nature.

Исследования связи топологии и взаимодействий стали одним из основных направлений при изучении квантовой материи в последнее время. Топология придает некоторым веществам удивительные свойства — например, в топологических изоляторах проводимость может существовать только на поверхности, и поверхностные состояния оказываются топологически защищены. Это свойство ученые использовали, в частности, для объединения нескольких микролазеров в один. Однако остается мало изученной возможность слияния нескольких топологических порядков для формирования новых фаз вещества.

Группа ученых под руководством Захида Хасана (M. Zahid Hasan) из Принстонского Университета обнаружила гибридную топологическую фазу вещества. Для этого ученые исследовали наиболее устойчивую форму мышьяка (As) — альфа-мышьяк. Физики обнаружили при помощи туннельной и фотоэмиссионной микроскопии, что мышьяк обладает объединенной сильной топологией высшего порядка, благодаря уникальному соотношению объем-поверхность-край.

Топологические ступенчато-краевые состояния в альфа-мышьяке / Md Shafayat Hossain et al. / Nature, 2024

Ученые отмечают, что, хотя измерения импульсно-пространственной спектроскопии показывают признаки топологических состояний поверхности, измерения микроскопии в реальном пространстве раскрывают уникальную геометрию топологически индуцированных ступенчатых каналов проводимости, обнаруженных на различных природных наноструктурах на поверхности кристалла.

Используя теоретические модели, Физики показали, что существование бесщелевых краевых состояний в мышьяке основано на одновременном присутствии как нетривиального сильного Z2-инварианта, так и нетривиального топологического инварианта более высокого порядка. Как отмечают ученые, это обеспечивает экспериментальное подтверждение гибридной топологии.

Физики полагают, что топологический порядок, наблюдаемый в альфа-мышьяке, можно использовать в качестве платформы для изучения квантовой информатики в будущих устройствах.