Когда D превращается в F, квантовая материя становится А.

Jun 27, 2023

Физики из Университета Райса показали, что неизменяемые топологические состояния, которые очень востребованы в квантовых вычислениях, могут быть переплетены с другими, манипулируемыми квантовыми состояниями в некоторых материалах.

«Удивительная вещь, которую мы обнаружили, заключается в том, что в кристаллической решетке определенного типа, где электроны застревают, сильно связанное поведение электронов на d-атомных орбиталях фактически действует как f-орбитальные системы некоторых тяжелых фермионов», — сказал Цимяо Си, соавтор исследования. автор исследования об исследованиях в журнале Science Advances.

Неожиданная находка обеспечивает мост между разделами физики конденсированного состояния, которые сосредоточены на различных новых свойствах квантовых материалов. Например, в топологических материалах закономерности квантовой запутанности создают «защищенные», неизменяемые состояния, которые можно использовать для квантовых вычислений и спинтроники. В сильно коррелированных материалах запутанность миллиардов электронов приводит к такому поведению, как нетрадиционная сверхпроводимость и непрерывные магнитные флуктуации в квантовых спиновых жидкостях.

В ходе исследования Си и соавтор Хаоюй Ху, бывший аспирант его исследовательской группы, построили и протестировали квантовую модель для изучения взаимодействия электронов в «разрушенной» решетке, подобной той, что встречается в металлах и полуметаллах с «плоскими зонами». «», состояния, в которых электроны застревают, и сильно коррелированные эффекты усиливаются.

Исследование является частью продолжающихся усилий Си, который в июле выиграл престижную стипендию факультета Ванневара Буша от Министерства обороны с целью проверки теоретической основы управления топологическими состояниями материи.

В ходе исследования Si и Hu показали, что электроны с d-атомных орбиталей могут стать частью более крупных молекулярных орбиталей, которые являются общими для нескольких атомов в решетке. Исследование также показало, что электроны на молекулярных орбиталях могут запутываться с другими расстроенными электронами, вызывая сильно коррелированные эффекты, которые были хорошо знакомы Си, который потратил годы на изучение материалов с тяжелыми фермионами.

«Это полностью d-электронные системы», — сказал Си. «В мире d-электронов это похоже на шоссе с несколькими полосами движения. В мире f-электронов вы можете представить себе электроны, движущиеся в двух ярусах. Один похож на шоссе d-электронов, а другой — на грунтовую дорогу, движение по которой очень медленное».

Си сказал, что системы f-электронов содержат очень яркие примеры сильно коррелированной физики, но они непрактичны для повседневного использования.

«Эта грунтовая дорога лежит так далеко от шоссе», — сказал он. «Влияние шоссе очень мало, что соответствует минутному масштабу энергии и физике очень низких температур. Это означает, что вам нужно достичь температуры около 10 Кельвинов или около того, чтобы хотя бы увидеть эффект связи.

«В мире d-электронов дело обстоит иначе. На тамошнем многополосном шоссе вещи довольно эффективно соединяются друг с другом.

И эта эффективность связи сохраняется, даже когда имеется плоская зона. Си сравнил это с тем, что одна из полос шоссе становится такой же неэффективной и медленной, как грунтовая дорога на f-электронах.

«Даже когда она превратилась в грунтовую дорогу, она по-прежнему делит статус с другими полосами движения, потому что все они пришли с орбитали d», — сказал Си. «По сути, это грунтовая дорога, но она гораздо более сильно связана, и это приводит к физике гораздо более высоких температур.

«Это означает, что я могу обладать всей изысканной физикой, основанной на f-электронах, для которой у меня есть четко определенные модели и большая интуиция, накопленная за годы обучения, но вместо того, чтобы переходить к температуре 10 К, я потенциально могу работать скажем, при 200 Кельвинах или, возможно, даже при 300 Кельвинах, или при комнатной температуре. Так что с точки зрения функциональности это чрезвычайно многообещающе».

Си — профессор физики и астрономии Гарри К. и Ольги К. Висс в Райс, член Райсовой квантовой инициативы и директор Райсового центра квантовых материалов (RCQM).

Исследование финансировалось Министерством энергетики (SC0018197), Управлением научных исследований ВВС (FA9550-21-1-0356), Фондом Уэлча (C-1411) и получило поддержку через вычислительные и посещающие центры Национального научного центра. Фонд (1607611, 0216467, 1338099, DMR160057).