In alcuni materiali, stati topologici immutabili possono essere intrecciati con altri stati quantistici manipolabili.

2 agosto 2023

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di Jade Boyd, Rice University

I fisici della Rice University hanno dimostrato che gli stati topologici immutabili, molto ricercati per il calcolo quantistico, possono essere intrecciati con altri stati quantistici manipolabili in alcuni materiali.

"La cosa sorprendente che abbiamo scoperto è che in un particolare tipo di reticolo cristallino, in cui gli elettroni rimangono bloccati, il comportamento fortemente accoppiato degli elettroni negli orbitali atomici d agisce effettivamente come i sistemi orbitali f di alcuni fermioni pesanti", ha detto Qimiao Si, co- autore di uno studio sulla ricerca in Science Advances.

La scoperta inaspettata fornisce un ponte tra i sottocampi della fisica della materia condensata che si sono concentrati su proprietà emergenti dissimili dei materiali quantistici. Nei materiali topologici, ad esempio, i modelli di entanglement quantistico producono stati immutabili "protetti" che potrebbero essere utilizzati per l'informatica quantistica e la spintronica. Nei materiali fortemente correlati, l'entanglement di miliardi e miliardi di elettroni dà origine a comportamenti come la superconduttività non convenzionale e le continue fluttuazioni magnetiche nei liquidi di spin quantistici.

Nello studio, Si e il coautore Haoyu Hu, un ex studente laureato nel suo gruppo di ricerca, hanno costruito e testato un modello quantistico per esplorare l'accoppiamento di elettroni in una disposizione reticolare "frustrata" come quelle che si trovano in metalli e semimetalli che presentano "bande piatte" ,' stati in cui gli elettroni si bloccano e gli effetti fortemente correlati vengono amplificati.

La ricerca fa parte di uno sforzo continuo di Si, che intende perseguire la convalida di un quadro teorico per il controllo degli stati topologici della materia.

Nello studio, Si e Hu hanno dimostrato che gli elettroni degli orbitali atomici d potrebbero diventare parte di orbitali molecolari più grandi condivisi da diversi atomi nel reticolo. La ricerca ha anche mostrato che gli elettroni negli orbitali molecolari potrebbero rimanere intrappolati con altri elettroni frustrati, producendo effetti fortemente correlati che erano molto familiari a Si, che ha passato anni a studiare materiali fermionici pesanti.

"Questi sono sistemi completamente d-elettroni", ha detto Si. 'Nel mondo d-electron, è come avere un'autostrada a più corsie. Nel mondo dell'elettrone f, puoi pensare agli elettroni che si muovono su due livelli. Uno è come l'autostrada d-electron, e l'altro è come una strada sterrata, dove il movimento è molto lento.'

Si ha detto che i sistemi di elettroni f ospitano esempi molto chiari di fisica fortemente correlata, ma non sono pratici per l'uso quotidiano.

«Questa strada sterrata è così lontana dall'autostrada» disse. 'L'influenza dell'autostrada è molto piccola, il che si traduce in una scala di energia minuscola e fisica a temperature molto basse. Significa che devi andare a temperature intorno ai 10 Kelvin circa per vedere anche gli effetti dell'accoppiamento.

'Questo non è il caso nel mondo d-electron. Le cose si accoppiano l'una con l'altra in modo abbastanza efficiente sull'autostrada a più corsie lì.'

E quell'efficienza di accoppiamento persiste, anche quando c'è una banda piatta. Si lo ha paragonato a una delle corsie dell'autostrada che diventa inefficiente e lenta come la strada sterrata dell'elettrone f.

"Anche quando è sbiadito in una strada sterrata, condivide ancora lo stato con le altre corsie, perché provenivano tutte dall'orbitale d", ha detto Si. “È effettivamente una strada sterrata, ma è molto più accoppiata, e questo si traduce in fisica a temperature molto più elevate.

"Ciò significa che posso avere tutta la squisita fisica basata sull'elettrone f, per la quale ho modelli ben definiti e molta intuizione da anni di studio, ma invece di dover arrivare a 10 Kelvin, posso potenzialmente lavorare a, diciamo, 200 Kelvin, o forse anche 300 Kelvin, o temperatura ambiente. Quindi, dal punto di vista della funzionalità, è estremamente promettente.'

Si è Harry C. e Olga K. Wiess Professore di Fisica e Astronomia alla Rice, membro della Rice Quantum Initiative e direttore del Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

Informazioni sulla rivista: Science Advances

Fornito dalla Rice University