Forskare vid TU Wien har upptäckt ett material där elektroner inte längre beter sig som distinkta partiklar, men det uppvisar ändå topologiska egenskaper som ansågs kräva sådant beteende. Denna upptäckt i föreningen CeRu₄Sn₆ utmanar länge hållna antaganden inom kvantfysik. Resultaten tyder på att topologiska tillstånd är mer universella än tidigare trott.
Fysiker har traditionellt beskrivit elektroner som små partiklar som rör sig genom material, en modell som ligger till grund för förklaringar av elektriska strömmar och avancerade begrepp som topologiska tillstånd i materia. Dessa tillstånd, som belönades med Nobelpriset 2016, antogs kräva att elektroner har väldefinierade positioner och hastigheter. En studie från TU Wien visar dock att denna partikelbild helt kan bryta samman medan topologiska egenskaper kvarstår. Materialet i fråga, CeRu₄Sn₆ —en förening av cerium, rutenium och tenn— undersöktes vid temperaturer strax över absolut nollpunkt. Där uppvisar det kvantkritiskt beteende och fluktuerar mellan två tillstånd utan att slå sig till ro med ett. „Nära absolut nollpunkt uppvisar det en specifik typ av kvantkritiskt beteende“, noterar Diana Kirschbaum, studiens huvudförfattare. „Materialet fluktuerar mellan två olika tillstånd, som om det inte kan bestämma sig för vilket det vill anta. I detta fluktuerande område anses quasipartikelbilden förlora sin betydelse.“ Trots detta upptäckte experiment ett spontant anomal Hall-effekt i materialet, där laddningsbärare avböjs utan externt magnetfält —ett kännetecken för topologiska egenskaper—. Effekten var starkast mitt i de största fluktuationerna och försvann när den undertrycktes med tryck eller magnetfält. „Den topologiska effekten är starkast just där materialet uppvisar de största fluktuationerna“, tillägger Kirschbaum. „När dessa fluktuationer undertrycks med tryck eller magnetfält försvinner de topologiska egenskaperna.“ Prof. Silke Bühler-Paschen vid TU Wien:s Institut för fastkroppsfysik betonar överraskningen: „Detta var en stor överraskning. Det visar att topologiska tillstånd bör definieras i generaliserade termer.“ Samarbetspartners vid Rice University, inklusive Lei Chen och prof. Qimiao Si, utvecklade en teoretisk modell som kopplar kvantkritikalitet till en emergent topologisk semimetallfas. Upptäckten innebär att partikel-liknande beteende inte är essentiellt för topologi, som uppstår genom mer abstrakta matematiska skillnader. Den öppnar nya vägar för att hitta topologiska material i kvantkritiska system, potentiellt avancerande kvantdatabaser och sensorer. Resultaten publiceras i Nature Physics (2026).