Quando D diventa F, la materia quantistica è A

Jun 27, 2023

I fisici della Rice University hanno dimostrato che gli stati topologici immutabili, altamente ricercati per l’informatica quantistica, 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, dove gli elettroni rimangono bloccati, il comportamento fortemente accoppiato degli elettroni negli orbitali atomici d agisce in realtà come i sistemi orbitali f di alcuni fermioni pesanti", ha detto Qimiao Si, co- autore di uno studio sulla ricerca su 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 “protetti” e immutabili 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 con spin quantistico.

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

La ricerca fa parte di uno sforzo in corso da parte di Si, che a luglio ha vinto una prestigiosa borsa di studio Vannevar Bush Faculty dal Dipartimento della Difesa per perseguire la validazione 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 dimostrato che gli elettroni negli orbitali molecolari potrebbero impigliarsi con altri elettroni frustrati, producendo effetti fortemente correlati che erano molto familiari a Si, che ha trascorso anni a studiare materiali fermionici pesanti.

“Questi sono sistemi completamente di elettroni D”, ha detto Si. “Nel mondo d-electron, è come se avessi un'autostrada a più corsie. Nel mondo degli elettroni f, puoi pensare agli elettroni che si muovono su due livelli. Una è come l’autostrada D-electron e l’altra è come una strada sterrata, dove il movimento è molto lento”.

Si ha affermato 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", ha detto. “L’influenza dell’autostrada è molto piccola, il che si traduce in una scala energetica minuscola e in una fisica a temperature molto basse. Ciò significa che è necessario raggiungere temperature intorno ai 10 Kelvin o giù di lì per vedere anche gli effetti dell'accoppiamento.

“Questo non è il caso nel mondo del d-electron. Le cose si collegano tra loro in modo abbastanza efficiente sull’autostrada a più corsie lì.”

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

“Anche quando è diventata una strada sterrata, condivide lo stesso status con le altre corsie, perché provengono tutte dall’orbita d”, ha detto Si. “È effettivamente una strada sterrata, ma è molto più fortemente accoppiata, e questo si traduce in fisica a temperature molto più elevate.

“Ciò significa che posso avere tutta la raffinata fisica basata sull’elettrone f, per la quale ho modelli ben definiti e molta intuizione derivante 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).

La ricerca è stata finanziata dal Dipartimento dell'Energia (SC0018197), dall'Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0356), dalla Welch Foundation (C-1411) e ha ricevuto supporto attraverso strutture computazionali e di visita da parte della National Science Fondazione (1607611, 0216467, 1338099, DMR160057).