In einigen Materialien können unveränderliche topologische Zustände mit anderen manipulierbaren Quantenzuständen verschränkt werden.

2. August 2023

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von Jade Boyd, Rice University

Physiker der Rice University haben gezeigt, dass unveränderliche topologische Zustände, die für die Quantencomputertechnologie sehr begehrt sind, in einigen Materialien mit anderen manipulierbaren Quantenzuständen verknüpft werden können.

"Die überraschende Entdeckung, die wir gemacht haben, ist, dass in einer bestimmten Art von Kristallgitter, in dem Elektronen steckenbleiben, das stark gekoppelte Verhalten von Elektronen in d-Atomorbitalen tatsächlich wie die f-Orbitalsysteme einiger schwerer Fermionen wirken", so Qimiao Si, Mitautor einer Studie über die Forschung in Science Advances.

Die unerwartete Entdeckung schafft eine Verbindung zwischen Teilgebieten der kondensierten Materiephysik, die sich auf unterschiedliche emergente Eigenschaften von Quantenmaterialien konzentriert haben. Bei topologischen Materialien erzeugen zum Beispiel Muster von Quantenverschränkung "geschützte", unveränderliche Zustände, die für die Quantencomputertechnologie und Spintronik verwendet werden könnten. Bei stark korrelierten Materialien führt die Verschränkung von Milliarden und Abermilliarden von Elektronen zu Phänomenen wie unkonventioneller Supraleitung und kontinuierlichen magnetischen Fluktuationen in Quantenspinflüssigkeiten.

In der Studie haben Si und sein Mitautor Haoyu Hu, ein ehemaliger Doktorand in seiner Forschungsgruppe, ein quantenmechanisches Modell entwickelt und getestet, um die Elektronenkopplung in einer "frustrierten" Gitteranordnung zu untersuchen, wie sie in Metallen und Halbmetallen vorkommt, die "flache Bänder" aufweisen, also Zustände, in denen Elektronen steckenbleiben und stark gekoppelte Effekte verstärkt werden.

Die Forschung ist Teil eines laufenden Bemühens von Si, der beabsichtigt, die Validierung eines theoretischen Rahmens zur Kontrolle topologischer Zustände der Materie zu verfolgen.

In der Studie haben Si und Hu gezeigt, dass Elektronen aus d-Atomorbitalen Teil größerer Molekülorbitale werden können, die von mehreren Atomen im Gitter gemeinsam genutzt werden. Die Forschung hat auch gezeigt, dass Elektronen in molekularen Orbitalen mit anderen frustrierten Elektronen verschränkt werden können, was zu stark korrelierten Effekten führt, die Si sehr vertraut sind, da er seit Jahren Materialien mit schweren Fermionen untersucht.

"Dies sind komplett d-Elektronensysteme", sagte Si. "In der Welt der d-Elektronen ist es, als hätte man eine Autobahn mit mehreren Spuren. In der Welt der f-Elektronen kann man sich Elektronen vorstellen, die sich in zwei Ebenen bewegen. Eine ist wie die Autobahn der d-Elektronen, und die andere ist wie eine Schotterstraße, auf der die Bewegung sehr langsam ist."

Si sagte, dass f-Elektronensysteme sehr klare Beispiele für stark korrelierte Physik bieten, aber sie sind nicht praktisch für den täglichen Gebrauch.

"Diese Schotterstraße liegt so weit entfernt von der Autobahn", sagte er. "Der Einfluss von der Autobahn ist sehr gering, was einer winzigen Energieskala und Physik bei sehr niedrigen Temperaturen entspricht. Das bedeutet, dass man etwa Temperaturen um 10 Kelvin erreichen muss, um überhaupt die Effekte der Kopplung zu sehen.

"Das ist im d-Elektronenbereich nicht der Fall. Die Dinge koppeln viel effizienter auf der mehrspurigen Autobahn dort."

Und diese Kopplungseffizienz bleibt auch dann bestehen, wenn es ein flaches Band gibt. Si verglich es mit einer der Spuren der Autobahn, die so ineffizient und langsam wie die Schotterstraße der f-Elektronen wird.

"Selbst wenn sie zu einer Schotterstraße geworden ist, teilt sie immer noch den Status der anderen Spuren, weil sie alle aus dem d-Orbital stammen", sagte Si. "Es ist effektiv eine Schotterstraße, aber sie ist viel stärker gekoppelt, und das führt zu Physik bei viel höheren Temperaturen.

"Das bedeutet, dass ich all die exquisite, auf f-Elektronen basierende Physik habe, für die ich gut definierte Modelle und viel Intuition aus jahrelanger Forschung habe, aber anstatt auf 10 Kelvin gehen zu müssen, könnte ich potenziell bei 200 Kelvin oder vielleicht sogar bei 300 Kelvin oder Raumtemperatur arbeiten. Also, aus funktionaler Sicht ist das 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).

Journal-Informationen: Science Advances

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