Physiker der Rice University haben gezeigt, dass unveränderliche topologische Zustände, die für Quantencomputer sehr gefragt sind, in einigen Materialien mit anderen manipulierbaren Quantenzuständen verwickelt sein können.
„Das Überraschende, was wir herausgefunden haben, ist, dass in einer bestimmten Art von Kristallgitter, in dem Elektronen stecken bleiben, das stark gekoppelte Verhalten von Elektronen in d-Atomorbitalen tatsächlich wie die f-Orbitalsysteme einiger schwerer Fermionen wirkt“, sagte Qimiao Si, Co- Autor einer Studie über die Forschung in Wissenschaftliche Fortschritte.
Der unerwartete Fund schlägt eine Brücke zwischen Teilgebieten der Physik der kondensierten Materie, die sich auf unterschiedliche entstehende Eigenschaften von Quantenmaterialien konzentriert haben. In topologischen Materialien beispielsweise erzeugen Muster der Quantenverschränkung „geschützte“, unveränderliche Zustände, die für Quantencomputer und Spintronik genutzt werden könnten. In stark korrelierten Materialien führt die Verschränkung von Milliarden und Abermilliarden Elektronen zu Verhaltensweisen wie unkonventioneller Supraleitung und kontinuierlichen magnetischen Fluktuationen in Quantenspinflüssigkeiten.
In der Studie bauten und testeten Si und Co-Autor Haoyu Hu, ein ehemaliger Doktorand seiner Forschungsgruppe, ein Quantenmodell, um die Elektronenkopplung in einer „frustrierten“ Gitteranordnung zu untersuchen, wie sie in Metallen und Halbmetallen mit „flachen Bändern“ zu finden ist „Zustände, bei denen Elektronen stecken bleiben und stark korrelierte Effekte verstärkt werden.
Die Forschung ist Teil einer laufenden Anstrengung von Si, die die Validierung eines theoretischen Rahmens zur Steuerung topologischer Materiezustände anstrebt.
In der Studie zeigten Si und Hu, dass Elektronen aus d-Atomorbitalen Teil größerer Molekülorbitale werden könnten, die von mehreren Atomen im Gitter geteilt werden. Die Forschung zeigte auch, dass sich Elektronen in Molekülorbitalen mit anderen frustrierten Elektronen verschränken können, was zu stark korrelierten Effekten führt, die Si, der jahrelang schwere Fermionmaterialien untersucht hat, sehr vertraut waren.
„Das sind vollständig D-Elektronen-Systeme“, sagte Si. „In der D-Elektronen-Welt ist es so, als hätte man eine Autobahn mit mehreren Fahrspuren. In der F-Elektronen-Welt kann man sich Elektronen vorstellen, die sich in zwei Ebenen bewegen. Eine ist wie die D-Elektronen-Autobahn und die andere wie eine unbefestigte Straße, auf der die Bewegung sehr langsam ist.
Si sagte, F-Elektronensysteme beherbergen sehr klare Beispiele stark korrelierter Physik, seien aber für den täglichen Gebrauch nicht praktikabel.
„Diese unbefestigte Straße liegt so weit von der Autobahn entfernt“, sagte er. „Der Einfluss der Autobahn ist sehr gering, was sich in einer winzigen Energieskala und einer sehr niedrigen Temperaturphysik niederschlägt. Das bedeutet, dass man Temperaturen um etwa 10 Kelvin erreichen muss, um überhaupt die Auswirkungen der Kopplung zu sehen.“
„Das ist in der D-Elektronen-Welt nicht der Fall. Auf der mehrspurigen Autobahn dort koppeln sich die Dinge recht effizient aneinander.“
Und diese Kopplungseffizienz bleibt bestehen, selbst wenn ein flaches Band vorhanden ist. Si verglich es damit, dass eine der Fahrspuren der Autobahn genauso ineffizient und langsam wurde wie die unbefestigte F-Elektronen-Straße.
„Selbst wenn es in eine unbefestigte Straße übergegangen ist, teilt es seinen Status immer noch mit den anderen Fahrspuren, weil sie alle aus dem d-Orbital kamen“, sagte Si. „Es ist praktisch eine unbefestigte Straße, aber sie ist viel stärker gekoppelt, und das überträgt sich auf die Physik bei viel höheren Temperaturen.“
„Das bedeutet, dass ich die gesamte exquisite f-Elektronen-basierte Physik nutzen kann, für die ich durch jahrelanges Studium gut definierte Modelle und viel Intuition habe, aber anstatt auf 10 Kelvin umsteigen zu müssen, kann ich möglicherweise arbeiten.“ bei beispielsweise 200 Kelvin oder möglicherweise sogar 300 Kelvin oder Raumtemperatur. Aus funktionaler Sicht ist es also äußerst vielversprechend.“
Si ist Harry C. und Olga K. Wiess-Professor für Physik und Astronomie an der Rice University, Mitglied der Rice Quantum Initiative und Direktor des Rice Center for Quantum Materials (RCQM).
Mehr Informationen:
Haoyu Hu et al., Gekoppelte topologische flache und breite Bänder: Quasiteilchenbildung und -zerstörung, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg0028