Odkrycia nowych faz kwantowych materiałów wykazujących egzotyczne właściwości, takich jak bezstratny transport  przez helikalne kanały krawędziowe, przyciągają zainteresowanie fizyków materii skondensowanej. W artykule opublikowanym ostatnio w Nature pokazujemy złożenie kilku porządków topologicznych, które tworzą odrębną nową fazę nazwaną „hybrydową fazą topologiczną”. Wykorzystując szczegółowe obliczenia ab initio, badacz IFPAN Rajibul Islam (ON6.5) we współpracy z grupami eksperymentalnymi odkrył taką nową fazę kwantową, w elementarnym szarym arsenie (As).

Topologia i oddziaływania to fundamentalne pojęcia we współczesnym rozumieniu materii kwantowej. Ich połączenie prowadzi do trzech ważnych nurtów badań: konkurencji pomiędzy różnymi formami oddziaływań, jak w przypadku splecionych faz, współdziałania pomiędzy oddziaływaniami i topologią, które wywołuje zjawiska w skręconych materiałach warstwowych i magnesach topologicznych, oraz złączenia kilku porządków topologicznych, które generują odrębne nowe fazy. Dwa pierwsze nurty stały się głównymi obszarami badań, ale trzeci z wymienionych powyżej kierunków pozostaje w dużej mierze niezbadany, głównie ze wzgledu na brak dotychczas odpowiedniej platformy materiałowej do badań eksperymentalnych. W naszej pracy, przy użyciu mikroskopii tunelowej, spektroskopii fotoemisyjnej i analizy teoretycznej, odkrywamy „hybrydową” fazę topologiczną materii w prostym ciele stałym, jakim jest arsen. Poprzez szczególną relację pomiędzy objętością, powierzchnią i krawędzią kryształu odkrywamy, że arsen charakteryzuje się połączoną silną i wyższego rzędu topologią, która stabilizuje hybrydową fazę topologiczną. Chociaż pomiary spektroskopowe w przestrzeni pędów pokazują oznaki topologicznych stanów powierzchniowych, pomiary mikroskopowe w przestrzeni rzeczywistej ujawniają unikalną geometrię topologicznie indukowanych kanałów przewodzących na krawędziach schodkowych, odkrytych na różnych naturalnych nanostrukturach na powierzchni. Przy użyciu modeli teoretycznych wykazujemy, że istnienie bezprzerwowych stanów krawędzi schodkowych w arsenie zależy od jednoczesnej obecności zarówno nietrywialnego silnego wskaźnika Z2, jak i nietrywialnego wyższego rzędu wskaźnika topologicznego,  co  razem z wynikami eksperymentalnymi dostarcza dowodów na hybrydową topologię w kryształach arsenu.