Forscher entdecken neue flache elektronische Bänder und ebnen den Weg für fortschrittliche Quantenmaterialien

In einer Studie veröffentlicht In NaturkommunikationEin von Qimiao Si von der Rice University geleitetes Wissenschaftlerteam sagt die Existenz flacher elektronischer Bänder auf dem Fermi-Niveau voraus, eine Entdeckung, die neue Formen der Quantencomputer und elektronischer Geräte ermöglichen könnte.

Quantenmaterialien unterliegen den Regeln der Quantenmechanik, wobei Elektronen einzigartige Energiezustände einnehmen. Diese Zustände bilden eine Leiter, deren höchste Sprosse die Fermi-Energie genannt wird.

Da Elektronen geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab und bewegen sich in korrelierter Weise. Sis Team fand heraus, dass Elektronenwechselwirkungen neue flache Bänder auf dem Fermi-Niveau erzeugen können, was deren Bedeutung erhöht.

„Die meisten flachen Bänder liegen weit entfernt von der Fermi-Energie, was ihren Einfluss auf die Materialeigenschaften begrenzt“, sagte Si, der Harry C. und Olga K. Wiess-Professor für Physik und Astronomie an der Rice University.

Normalerweise ändert sich die Energie eines Teilchens mit seinem Impuls. In der Quantenmechanik können Elektronen jedoch Quanteninterferenzen aufweisen, bei denen ihre Energie konstant bleibt, selbst wenn sich ihr Impuls ändert. Diese werden als flache Bänder bezeichnet.

„Flache elektronische Bänder können die Wechselwirkungen von Elektronen verstärken und möglicherweise neue Quantenphasen und ungewöhnliches Verhalten bei niedriger Energie erzeugen“, sagte Si.

Diese Bänder seien besonders in Übergangsmetallionen, sogenannten d-Elektronenmaterialien, mit spezifischen Kristallgittern gefragt, da sie dort oft einzigartige Eigenschaften zeigten, sagte Si.

Die Erkenntnisse des Teams legen neue Wege für deren Design nahe, was zu neuen Anwendungen dieser Materialien in Quantenbits, Qubits und der Spintronik führen könnte. Ihre Forschung zeigt, dass Elektronenwechselwirkungen unbewegliche und bewegliche Elektronenzustände miteinander verbinden können.

Mithilfe eines theoretischen Modells zeigten die Forscher, dass diese Wechselwirkungen einen neuen Typ von Kondo-Effekt erzeugen können, bei dem unbewegliche Teilchen durch Wechselwirkung mit beweglichen Elektronen bei der Fermi-Energie beweglich werden. Der Kondo-Effekt beschreibt die Streuung von Leitungselektronen in einem Metall aufgrund magnetischer Verunreinigungen, was zu einer charakteristischen Änderung des elektrischen Widerstands mit der Temperatur führt.

„Quanteninterferenz kann den Kondo-Effekt ermöglichen und uns so bedeutende Fortschritte ermöglichen“, sagte Lei Chen, ein Doktorand bei Rice.

Ein Schlüsselmerkmal der flachen Bänder sei ihre Topologie, sagte Chen. „Die an die Fermi-Energie gebundenen flachen Bänder bieten die Möglichkeit, neue Quantenzustände der Materie zu realisieren“, sagte er.

Die Forschung des Teams zeigt, dass dazu Anyonen und Weyl-Fermionen gehören, also masselose Quasiteilchen und Fermionen, die eine elektrische Ladung tragen. Die Forscher fanden heraus, dass Anyonen vielversprechende Agenten für Qubits sind und Materialien, die Weyl-Fermionen enthalten, in der spinbasierten Elektronik Anwendung finden könnten.

Die Studie unterstreicht auch das Potenzial dieser Materialien, sehr gut auf externe Signale zu reagieren und eine fortgeschrittene Quantenkontrolle zu ermöglichen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die flachen Bänder bei relativ niedrigen Temperaturen zu stark korrelierten topologischen Halbmetallen führen könnten, die möglicherweise bei hohen Temperaturen oder sogar bei Raumtemperatur funktionieren.

„Unsere Arbeit liefert die theoretische Grundlage für die Nutzung flacher Bänder in stark wechselwirkenden Umgebungen, um neuartige Quantenmaterialien zu entwerfen und zu steuern, die jenseits des Bereichs niedriger Temperaturen funktionieren“, sagte Si.

Zu den Mitwirkenden an dieser Forschung gehören Fang Xie und Shouvik Sur, Postdoktoranden für Physik und Astronomie an der Rice University; Haoyu Hu, Rice-Alumnus und Postdoktorand am Donostia International Physics Center; Silke Paschen, Physikerin an der Technischen Universität Wien; und Jennifer Cano, theoretische Physikerin an der Stony Brook University und dem Flatiron Institute.