Forscher entwickeln neue Klasse quantenkritischer Metalle, die elektronische Geräte voranbringen könnten

Eine neue Studie unter der Leitung von Qimiao Si von der Rice University hat eine neue Klasse quantenkritischer Metalle enthüllt und Licht auf die komplizierten Wechselwirkungen von Elektronen in Quantenmaterialien geworfen. Veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung am 6. September untersucht die Forschung die Effekte der Kondo-Kopplung und chiraler Spinflüssigkeiten innerhalb spezifischer Gitterstrukturen.

„Die aus dieser Entdeckung gewonnenen Erkenntnisse könnten zur Entwicklung extrem empfindlicher elektronischer Geräte führen, die auf den einzigartigen Eigenschaften quantenkritischer Systeme basieren“, sagte Si, Harry C. und Olga K. Wiess-Professor für Physik und Astronomie und Direktor der Extreme Quantum Materials Alliance der Rice University.

Quantenphasenübergänge

Im Mittelpunkt dieser Forschung steht das Konzept der Quantenphasenübergänge. So wie Wasser zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Zustand wechselt, können Elektronen in Quantenmaterialien zwischen verschiedenen Phasen wechseln, wenn sich ihre Umgebung ändert. Aber anders als Wasser folgen diese Elektronen den Regeln der Quantenmechanik, was zu viel komplexeren Verhaltensweisen führt.

Die Quantenmechanik führt zwei Schlüsseleffekte ein: Quantenfluktuationen und elektronische Topologie. Selbst am absoluten Nullpunkt, wo thermische Fluktuationen verschwinden, können Quantenfluktuationen immer noch Veränderungen in der Anordnung der Elektronen verursachen, was zu Quantenphasenübergängen führt. Diese Übergänge führen oft zu extremen physikalischen Eigenschaften, die als Quantenkritikalität bezeichnet werden.

Darüber hinaus verleiht die Quantenmechanik Elektronen eine einzigartige Eigenschaft, die mit der Topologie zusammenhängt, einem mathematischen Konzept, das bei Anwendung auf elektronische Zustände ungewöhnliche und potenziell nützliche Verhaltensweisen hervorrufen kann.

Die Studie wurde von Sis Gruppe in einer langfristigen Zusammenarbeit mit Silke Paschen, Co-Autorin der Studie und Professorin für Physik an der Technischen Universität Wien, und ihrem Forschungsteam durchgeführt. Gemeinsam entwickelten sie ein theoretisches Modell zur Erforschung dieser Quanteneffekte.

Das theoretische Modell

Die Forscher untersuchten zwei Arten von Elektronen: Einige bewegen sich langsam, wie Autos im Stau, und andere bewegen sich schnell auf der Überholspur. Obwohl die langsamen Elektronen stationär erscheinen, können ihre Spins in jede beliebige Richtung zeigen.

„Normalerweise würden diese Spins ein geordnetes Muster bilden, aber das Gitter, das sie in unserem Modell bewohnen, lässt eine solche Ordnung nicht zu, was zu geometrischen Frustrationen führt“, sagte Si.

Stattdessen bilden die Spins eine flüssigere Anordnung, die als Quantenspinflüssigkeit bezeichnet wird. Sie ist chiral und wählt mit der Zeit eine Richtung. Wenn sich diese Spinflüssigkeit mit den schnell bewegten Elektronen verbindet, hat sie einen topologischen Effekt.

Das Forschungsteam entdeckte, dass diese Kopplung auch einen Übergang in eine Kondo-Phase auslöst, in der sich die Spins der langsamen Elektronen an die schnellen koppeln. Die Studie enthüllt das komplexe Zusammenspiel zwischen elektronischer Topologie und Quantenphasenübergängen.

Üblicher elektrischer Transport

Während Elektronen diese Übergänge durchlaufen, ändert sich ihr Verhalten dramatisch, insbesondere in Bezug auf die Art und Weise, wie sie Elektrizität leiten.

Eine der wichtigsten Erkenntnisse betreffe den Hall-Effekt, der beschreibt, wie sich ein elektrischer Strom unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds verbiegt, sagte Paschen.

„Der Hall-Effekt enthält eine Komponente, die durch die elektronische Topologie ermöglicht wird“, sagte sie. „Wir zeigen, dass dieser Effekt einen plötzlichen Sprung über den quantenkritischen Punkt erfährt.“

Implikationen für zukünftige Technologien

Diese Entdeckung erweitert unser Verständnis von Quantenmaterialien und eröffnet neue Möglichkeiten für zukünftige Technologien. Ein wichtiger Teil der Erkenntnisse des Forschungsteams ist, dass der Hall-Effekt drastisch auf den Quantenphasenübergang reagiert, sagte Si.

„Dank der Topologie erfolgt diese Reaktion in einem winzigen Magnetfeld“, sagte er.

Die ungewöhnlichen Eigenschaften könnten zur Entwicklung neuartiger elektronischer Geräte führen, etwa extrem empfindlicher Sensoren, die Bereiche wie die medizinische Diagnostik oder die Umweltüberwachung revolutionieren könnten.

Zu den Co-Autoren der Studie gehören Wenxin Ding von der Anhui University in China, ein ehemaliger Postdoktorand in Sis Gruppe bei Rice, und die Rice-Absolventin Sarah Grefe ’17 von der California State University.