Hur hittar man nya material med mycket specifika egenskaper – till exempel speciella elektroniska egenskaper som behövs för kvantdatorer? Detta är vanligtvis en mycket komplicerad uppgift:olika föreningar skapas, i vilka potentiellt lovande atomer är ordnade i vissa kristallstrukturer, och sedan undersöks materialet, till exempel i TU Wiens lågtemperaturlaboratorium.

Nu har ett samarbete mellan Rice University (Texas), TU Wien och andra internationella forskningsinstitutioner lyckats hitta lämpligt material på datorn. Nya teoretiska metoder används för att identifiera särskilt lovande kandidater från det stora antalet möjliga material. Mätningar vid TU Wien har visat att materialen verkligen har de egenskaper som krävs och att metoden fungerar. Detta är ett viktigt steg framåt för forskning om kvantmaterial. Resultaten har nu publicerats i tidskriften Nature Physics .

Topologiska halvmetaller

Rice University i Texas och TU Wien har redan arbetat mycket framgångsrikt tillsammans under de senaste åren i sökandet efter nya kvantmaterial med mycket speciella egenskaper:2017 presenterade de två forskargrupperna den första så kallade "Weyl-Kondo semimetal" - ett material som potentiellt skulle kunna spela en viktig roll i forskning om kvantdatorteknik.

"Elektronerna i ett sådant material kan inte beskrivas individuellt", förklarar Prof. Silke Bühler-Paschen från Institute of Solid State Physics vid TU Wien. "Det finns mycket starka interaktioner mellan dessa elektroner, de interfererar med varandra som vågor enligt kvantfysikens lagar, och samtidigt stöter de bort varandra på grund av sin elektriska laddning."

Det är just denna starka växelverkan som leder till excitationer av elektronerna, vilket bara kan beskrivas med mycket utarbetade matematiska metoder. I de material som nu studeras spelar topologin också en viktig roll - det är en gren av matematiken som handlar om geometriska egenskaper som inte förändras av kontinuerlig deformation, såsom antalet hål i en munk, som förblir detsamma även om munken är lätt klämd.

På liknande sätt kan elektroniska tillstånd i materialet förbli stabila även om materialet är lätt stört. Det är just därför dessa tillstånd är så användbara för praktiska tillämpningar som kvantdatorer.

Använda datorn för att identifiera möjliga kandidater

Att beräkna beteendet för alla starkt interagerande elektroner i materialet är omöjligt – ingen superdator i världen kan göra det. Men baserat på tidigare rön har det nu varit möjligt att utveckla en designprincip som använder förenklade modellberäkningar i kombination med matematiska symmetriöverväganden och en databas med kända material för att ge förslag på vilket av dessa material som kan ha de teoretiskt förväntade topologiska egenskaperna.

"Denna metod gav tre sådana kandidater, och vi producerade sedan ett av dessa material och mätte det i vårt laboratorium vid låga temperaturer", säger Silke Bühler-Paschen. "Och faktiskt, dessa första mätningar indikerar att det är en högkorrelerad topologisk semimetall - den första som förutsägs på teoretisk basis med hjälp av en dator."

En viktig nyckel till framgång var att utnyttja symmetrierna i systemet på ett smart sätt:"Vad vi postulerade var att starkt korrelerade excitationer fortfarande är föremål för symmetrikrav. På grund av det kan jag säga mycket om topologin i ett system utan ta till ab initio beräkningar som ofta krävs men som är särskilt utmanande för att studera starkt korrelerade material", säger Qimiao Si från Rice University. "Allt tyder på att vi har hittat ett robust sätt att identifiera material som har de egenskaper vi vill ha." + Utforska vidare

Fysikers demonstrationsmetod för design av topologiska metaller