Les physiciens de l’Université Rice ont montré que des états topologiques immuables, très recherchés pour l’informatique quantique, peuvent être intriqués avec d’autres états quantiques manipulables dans certains matériaux.
« La chose surprenante que nous avons trouvée est que dans un type particulier de réseau cristallin, où les électrons se coincent, le comportement fortement couplé des électrons dans les orbitales atomiques d agit en fait comme les systèmes orbitaux f de certains fermions lourds », a déclaré Qimiao Si, co- auteur d’une étude sur la recherche en Avancées scientifiques.
La découverte inattendue fournit un pont entre les sous-domaines de la physique de la matière condensée qui se sont concentrés sur les propriétés émergentes dissemblables des matériaux quantiques. Dans les matériaux topologiques, par exemple, les modèles d’intrication quantique produisent des états « protégés » immuables qui pourraient être utilisés pour l’informatique quantique et la spintronique. Dans les matériaux fortement corrélés, l’enchevêtrement de milliards et de milliards d’électrons donne lieu à des comportements tels que la supraconductivité non conventionnelle et les fluctuations magnétiques continuelles dans les liquides de spin quantique.
Dans l’étude, Si et le co-auteur Haoyu Hu, un ancien étudiant diplômé de son groupe de recherche, ont construit et testé un modèle quantique pour explorer le couplage d’électrons dans un arrangement de réseau « frustré » comme ceux trouvés dans les métaux et les semi-métaux qui présentent des « bandes plates ». « , indique où les électrons se coincent et où les effets fortement corrélés sont amplifiés.
La recherche fait partie d’un effort continu de Si, qui prévoit de poursuivre la validation d’un cadre théorique pour contrôler les états topologiques de la matière.
Dans l’étude, Si et Hu ont montré que les électrons des orbitales atomiques d pourraient faire partie d’orbitales moléculaires plus grandes partagées par plusieurs atomes du réseau. La recherche a également montré que les électrons des orbitales moléculaires pouvaient s’emmêler avec d’autres électrons frustrés, produisant des effets fortement corrélés qui étaient très familiers à Si, qui a passé des années à étudier les matériaux à fermions lourds.
« Ce sont des systèmes entièrement à électrons d », a déclaré Si. « Dans le monde des électrons d, c’est comme si vous aviez une autoroute à plusieurs voies. Dans le monde des électrons f, vous pouvez penser à des électrons se déplaçant sur deux niveaux. L’un est comme l’autoroute des électrons d, et l’autre est comme un chemin de terre, où les déplacements sont très lents. »
Si a déclaré que les systèmes d’électrons f hébergent des exemples très propres de physique fortement corrélée, mais qu’ils ne sont pas pratiques pour une utilisation quotidienne.
« Ce chemin de terre est si loin de l’autoroute », a-t-il déclaré. « L’influence de l’autoroute est très faible, ce qui se traduit par une échelle d’énergie minuscule et une physique à très basse température. Cela signifie que vous devez atteindre des températures d’environ 10 Kelvin pour même voir les effets du couplage.
« Ce n’est pas le cas dans le monde des électrons d. Les choses se couplent assez efficacement sur l’autoroute à plusieurs voies là-bas. »
Et cette efficacité de couplage persiste, même lorsqu’il y a une bande plate. Si l’a comparé à l’une des voies de l’autoroute devenant aussi inefficace et lente que le chemin de terre à électrons f.
« Même lorsqu’il s’est transformé en un chemin de terre, il partage toujours son statut avec les autres voies, car ils viennent tous de l’orbite d », a déclaré Si. « C’est effectivement un chemin de terre, mais il est beaucoup plus fortement couplé, et cela se traduit par une physique à des températures beaucoup plus élevées.
« Cela signifie que je peux avoir toute la physique exquise basée sur l’électron f, pour laquelle j’ai des modèles bien définis et beaucoup d’intuition d’années d’études, mais au lieu d’avoir à aller à 10 Kelvin, je peux potentiellement travailler à, disons, 200 Kelvin, ou peut-être même 300 Kelvin, ou à température ambiante. Donc, du point de vue de la fonctionnalité, c’est extrêmement prometteur.
Si est titulaire de la chaire Harry C. et Olga K. Wiess de physique et d’astronomie à Rice, membre de la Rice Quantum Initiative et directeur du Rice Center for Quantum Materials (RCQM).
Plus d’information:
Haoyu Hu et al, Bandes plates et larges topologiques couplées : formation et destruction de quasiparticules, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adg0028