Wenn D zu F wird, ist Quantenmaterie A

Jun 27, 2023

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 Science Advances.

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, in denen Elektronen stecken bleiben und stark korrelierte Effekte verstärkt werden.

Die Forschung ist Teil der laufenden Bemühungen von Si, der im Juli vom Verteidigungsministerium ein prestigeträchtiges Vannevar Bush Faculty Fellowship erhalten hat, um die Validierung eines theoretischen Rahmens zur Steuerung topologischer Materiezustände voranzutreiben.

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 Welt der f-Elektronen kann man sich Elektronen vorstellen, die sich in zwei Ebenen bewegen. Das eine ist wie die D-Elektronen-Autobahn und das 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 dortigen mehrspurigen Autobahn 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 sie in eine unbefestigte Straße übergegangen ist, hat sie immer noch denselben Status wie die 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 wirkt sich auf die Physik bei viel höheren Temperaturen aus.“

„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).

Die Forschung wurde vom Energieministerium (SC0018197), dem Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0356) und der Welch Foundation (C-1411) finanziert und durch Rechen- und Besuchseinrichtungen von der National Science unterstützt Stiftung (1607611, 0216467, 1338099, DMR160057).

„Gekoppelte topologische flache und breite Bänder: Bildung und Zerstörung von Quasiteilchen“ | Wissenschaftliche Fortschritte | DOI: 10.1126/sciadv.adg0028

Autoren: Haoyu Hu und Qimiao Si

https://doi.org/10.1126/sciadv.adg0028

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/07/0724_BUSH_qmsi-lg.jpg BILDUNTERSCHRIFT: Der Quantenphysiker Qimiao Si ist Harry C. und Olga K. Wiess Professor für Physik und Astronomie an der Rice University und Direktor von das Rice Center für Quantenmaterialien. (Foto von Jeff Fitlow/Rice University)

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Die Rice University befindet sich auf einem 300 Hektar großen bewaldeten Campus in Houston und wird von US News & World Report regelmäßig zu den 20 besten Universitäten des Landes gezählt. Rice verfügt über hoch angesehene Fakultäten für Architektur, Wirtschaft, Weiterbildung, Ingenieurwesen, Geisteswissenschaften, Musik, Naturwissenschaften und Sozialwissenschaften und ist die Heimat des Baker Institute for Public Policy. Mit 4.240 Studenten und 3.972 Doktoranden beträgt das Verhältnis zwischen Studenten und Dozenten an Rice knapp 6 zu 1. Sein Wohnhochschulsystem baut enge Gemeinschaften und lebenslange Freundschaften auf, nur einer der Gründe, warum Rice im Princeton Review auf Platz 1 für viel Rassen-/Klasseninteraktion und auf Platz 4 für Lebensqualität steht. Rice wird auch von Kiplingers Personal Finance als beste Privatuniversität eingestuft.