In het laboratorium gedragen elektronen in het kristal CeRu₄Sn₆ zich bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt alsof ze alle eerdere regels negeren. Een internationale groep onderzoekers heeft daar een topologische halfmetalen fase vastgesteld — een toestand die tot nu toe als onverenigbaar met het regime van kwantumkritikaliteit werd beschouwd.
Kwantumkritikaliteit ontstaat wanneer een materiaal zich op de grens van een faseovergang bevindt. In plaats van de gebruikelijke deeltjes worden de elektronen beschreven door collectieve fluctuaties, als een woelige zee van golven. Vroeger meende men dat een stabiele topologische structuur van elektronentoestanden in zo’n ‘zee’ eenvoudigweg niet zou overleven.
Het experiment weerlegde deze voorstelling. De onderzoekers koelden het monster CeRu₄Sn₆ af tot bijna nul en lieten er stroom doorheen gaan. Zonder enig extern magneetveld trad een abnormaal Hall-effect op — een afbuiging van de ladingsdragers zijwaarts. Dit effect vormt een direct bewijs voor de topologische aard van de toestand.
Natuurkundige Qimiao Si van de Rice University merkte op: sterke kwantumfluctuaties vernietigen de topologie niet, maar helpen haar integendeel zich te vormen en te bestendigen. De maximale topologische respons werd juist waargenomen daar waar de instabiliteit van de elektronen het grootst was.
De ontdekking effent de weg naar nieuwe materialen die gevoeligheid voor externe invloeden combineren met de stabiliteit van kwantumeigenschappen. Dergelijke verbindingen kunnen van pas komen in kwantumcomputers, precisiesensoren en energiezuinige elektronica.
De onderzoekers gaan nu na of een dergelijke fase ook in andere verbindingen voorkomt.
