Vyana Texnologiya Universiteti tərəfindən

Sadie Harley tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

Silke Bühler-Paschen (solda), Diego Zocco və Diana Kirschbaum. Kredit: TU Wien

TU Wien-də tədqiqatçılar əvvəllər qeyri-mümkün hesab edilən kvant materialında bir hal kəşf ediblər. Topoloji halların tərifi ümumiləşdirilməlidir.

Əsər Nature Physics jurnalında dərc olunub .

Kvant fizikası bizə hissəciklərin dalğalar kimi davrandığını və buna görə də onların fəzadakı mövqeyinin məlum olmadığını deyir. Buna baxmayaraq, bir çox hallarda hissəcikləri klassik şəkildə – müəyyən bir sürətlə yerdən yerə hərəkət edən kiçik cisimlər kimi düşünmək hələ də olduqca yaxşı işləyir.

Məsələn, fiziklər elektrik cərəyanının metallardan necə axdığını təsvir edərkən, elektronların materialdan necə keçdiyini və elektromaqnit sahələri tərəfindən sürətləndirildiyini və ya devrildiyini təsəvvür edirlər.

Daha müasir yanaşmalar bu hissəcik şəklinə əsaslanır — məsələn, 2016-cı ildə kəşfi ilə Fizika üzrə Nobel mükafatına layiq görülən topoloji vəziyyətlər konsepsiyası. Lakin, hissəcik şəklinin tamamilə parçalandığı materiallar var (aşağıdakı nəşrə baxın). Belə hallarda, elektronları yaxşı müəyyən edilmiş mövqeyə və ya unikal sürətə malik kiçik hissəciklər kimi düşünmək artıq məntiqli deyil.

İndi isə TU Wien-dəki bir tədqiqat qrupu göstərib ki, bu cür materiallar topoloji xüsusiyyətlər nümayiş etdirə bilər – baxmayaraq ki, bunlar indiyə qədər hissəciklərə bənzər davranışla izah edilib. Bu, topoloji vəziyyətlərin əvvəllər düşünüləndən daha ümumi olduğunu göstərir: iki ziddiyyətli görünən anlayış uyğun gəlir.

Zərrəcik şəkli artıq məna kəsb etməyəndə

TU Vyana Universitetinin Bərk Cisimlər Fizikası İnstitutundan professor Silke Bühler-Paşen deyir: “Elektronların elektrik cərəyanı kimi materialdan keçərkən toqquşmaya məruz qalan kiçik hissəciklər kimi klassik mənzərəsi təəccüblü dərəcədə möhkəmdir. Müəyyən təkmilləşdirmələrlə, bu, hətta elektronların bir-biri ilə güclü qarşılıqlı təsir göstərdiyi mürəkkəb materiallarda da işləyir.”

Lakin, bu mənzərənin tamamilə parçalandığı və yük daşıyıcılarının hissəciklərə bənzər xüsusiyyətlərini itirdiyi vəziyyətlər də mövcuddur. Bu, serium, rutenium və qalaydan (CeRu₄Sn₆) ibarət materialda baş verir və hazırda TU Vyana Universitetində son dərəcə aşağı temperaturda tədqiq edilmişdir.

Hazırkı nəşrin ilk müəllifi Diana Kirşbaum deyir: “Mütləq sıfıra yaxın olan bu maddə müəyyən bir kvant-kritik davranış növü nümayiş etdirir . Material sanki hansını qəbul etmək istədiyinə qərar verə bilmirmiş kimi iki fərqli vəziyyət arasında dəyişir. Bu dəyişkən rejimdə kvazipartikul şəklinin mənasını itirdiyi düşünülür.”CeRu ₄ Sn ₆ -nın ümumi təsviri və xarakteristikası . Müəllif: Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-025-03135-w

Topologiya: Rulolar və ponçiklər

Bu kəşfdən asılı olmayaraq, material nəzəri cəhətdən də araşdırıldı və bu da onun topoloji vəziyyətlərə sahib olmalı olduğu qənaətinə gəlməyə səbəb oldu. Silke Bühler-Paşen izah edir ki, “Topologiya termini riyaziyyatdan gəlir və burada müəyyən həndəsi strukturları ayırd etmək üçün istifadə olunur”.

“Məsələn, alma topoloji cəhətdən çörək rulonuna bərabərdir, çünki rulon davamlı olaraq alma formasına çevrilə bilər. Lakin rulon topoloji cəhətdən ponçikdən fərqlidir, çünki ponçikdə davamlı deformasiya ilə yaradıla bilməyən bir dəlik var.”

Oxşar şəkildə, maddənin halları təsvir edilə bilər: hissəciklərin sürətləri və enerjiləri, hətta onların hərəkət istiqamətlərinə nisbətən spinlərinin istiqaməti də müəyyən həndəsi qaydalara əməl edə bilər. Bu, xüsusilə həyəcanvericidir, çünki topoloji xüsusiyyətləri çox möhkəm edir.

Materialdakı qüsurlar kimi kiçik pozuntular bu xüsusiyyətləri dəyişdirmir – necə ki, kiçik deformasiyalar ponçiki almaya çevirə bilmir. Buna görə də topoloji effektlər kvant məlumatlarının saxlanması, yeni sensor tiplərində və maqnit sahələri olmayan elektrik cərəyanlarının idarə olunması üçün böyük maraq doğurur.

Topologiyadan istifadə edərək hissəciklərin davranışını təsvir etmək nə qədər mücərrəd və tanış görünsə də, bu cür təsvirlər ənənəvi olaraq hələ də dolayı yolla klassik hissəcik mənzərəsinə əsaslanırdı. Diana Kirşbaum izah edir: “Bu nəzəriyyələr insanın bir şeyi yaxşı müəyyən edilmiş sürətlər və enerjilərlə təsvir etdiyini fərz edir”.

“Lakin bu cür dəqiq müəyyən edilmiş sürətlər və enerjilər materialımızda mövcud deyil, çünki o, hissəcik şəkli ilə uyğun olmayan kvant-kritik davranış forması nümayiş etdirir. Buna baxmayaraq, bu hissəcik olmayan xüsusiyyətləri nəzərə almayan sadə nəzəri yanaşmalar əvvəllər materialın topoloji xüsusiyyətlər göstərəcəyini proqnozlaşdırmışdı.”

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və gündəlik və ya həftəlik olaraq vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında yeniliklərdən xəbərdar olun .

Maraq öz bəhrəsini verir

Bu, açıq-aydın bir ziddiyyət yaratdı. Bu səbəbdən, Büler-Paşenin komandası əvvəlcə topologiyanın nəzəri proqnozunu ciddiyə almaq və onu daha dərindən araşdırmaqda tərəddüd etdi. Lakin sonda maraq qalib gəldi və Diana Kirşbaum topoloji vəziyyətlərin eksperimental sübutlarını axtarmağa başladı.

Həqiqətən də, son dərəcə aşağı temperaturda — mütləq sıfırdan bir dərəcədən az yuxarıda — o, topoloji vəziyyətlərin mövcudluğunu açıq şəkildə göstərən davranış müşahidə etdi: spontan (anomal) Holl effekti . Holl effektində yük daşıyıcıları normal olaraq maqnit sahəsi tərəfindən sapdırılır. Lakin, bu sapma, heç bir xarici maqnit sahəsi olmadıqda belə, topoloji təsirlərdən də yarana bilər.

Xüsusilə diqqətəlayiq olan odur ki, yük daşıyıcıları, hissəciklər kimi davranırlar, baxmayaraq ki, bu materialda hissəcik mənzərəsi uğursuz görünür. Silke Bühler-Paşen deyir: “Bu, mövcud baxışın yenidən nəzərdən keçirilməli olduğunu şübhəsiz nümayiş etdirməyimizə imkan verən əsas fikir idi”.

Diana Kirşbaum əlavə edir: “Və daha çox şey var. Topoloji təsir, materialın ən böyük dalğalanmalara məruz qaldığı yerdə daha güclüdür. Bu dalğalanmalar təzyiq və ya maqnit sahələri tərəfindən yatırıldıqda, topoloji xüsusiyyətlər yox olur.”

Topoloji vəziyyətlər əvvəllər düşünüləndən daha ümumidir

Silke Bühler-Paşen deyir: “Bu, böyük bir sürpriz idi. Bu, topoloji vəziyyətlərin ümumiləşdirilmiş şəkildə təyin edilməli olduğunu göstərir.” Komanda yeni kəşf edilmiş vəziyyəti ortaya çıxan topoloji yarımmetal adlandırır və Texasdakı Rays Universiteti ilə əməkdaşlıq edir. Burada Lei Çen (nəşrin həmmüəllifi), professor Qimiao Si qrupunda işləyərək, kvant kritikliyi və topologiya fenomenlərini birləşdirə bilən yeni bir nəzəri model hazırlamışdır.

Büler-Paşen deyir: “Əslində, topoloji xüsusiyyətlər yaratmaq üçün hissəcik şəklinin tələb olunmadığı ortaya çıxır. Bu konsepsiya həqiqətən ümumiləşdirilə bilər – topoloji fərqlər daha mücərrəd, riyazi şəkildə ortaya çıxır. Və bundan da artığı: təcrübələrimiz göstərir ki, topoloji xüsusiyyətlər hətta hissəciklərə bənzər vəziyyətlərin olmaması səbəbindən də yarana bilər.”

Bu kəşfin mühüm praktik əhəmiyyəti var, çünki o, topoloji materialların müəyyən edilməsi üçün yeni bir strategiyaya işarə edir. Bühler-Paschen deyir ki, “İndi bilirik ki, kvant kritik materiallarda topoloji xüsusiyyətləri axtarmağa dəyər, bəlkə də xüsusilə dəyərlidir”.

“Kvant-kritik davranış bir çox material siniflərində baş verdiyi və etibarlı şəkildə müəyyən edilə bildiyindən, bu əlaqə bir çox yeni “ortaya çıxan” topoloji materialların kəşf edilməsinə imkan verə bilər.”

Nəşr detalları

Kirschbaum, DM və b. Kvant kritikliyindən yaranan topoloji semimetal, Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-025-03135-w , www.nature.com/articles/s41567-025-03135-w

Jurnal məlumatları: Təbiət Fizikası 

Vyana Texnologiya Universiteti tərəfindən təmin edilir