Amerikanska och europeiska fysiker som letade efter en förklaring till högtemperatursupraledning blev förvånade när deras teoretiska modell pekade på existensen av ett aldrig tidigare skådat material i en annan fysiks värld:topologiska kvantmaterial.

I en ny studie som kommer denna vecka i den tidiga upplagan av Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), Rice University teoretiska fysiker Qimiao Si och kollegor vid Rice Center for Quantum Materials i Houston och Wiens tekniska universitet i Österrike gör förutsägelser som kan hjälpa experimentella fysiker att skapa vad författarna har myntat en "Weyl-Kondo semimetal, "ett kvantmaterial med en blandad samling egenskaper som ses i olika material som topologiska isolatorer, tunga fermionmetaller och högtemperatursupraledare.

Alla dessa material faller under rubriken "kvantmaterial, "keramik, skiktade kompositer och andra material vars elektromagnetiska beteende inte kan förklaras av klassisk fysik. Med den noterade vetenskapsskribenten Philip Balls ord, kvantmaterial är de där "kvantaspekterna hävdar sig ihärdigt, och det enda sättet att helt förstå hur materialet beter sig är att hålla kvantumet i sikte."

Dessa konstiga beteenden uppstår bara vid mycket kalla temperaturer, där de inte kan maskeras av värmeenergins överväldigande krafter. De mest berömda kvantmaterialen är de högtemperatursupraledare som upptäcktes på 1980-talet, så namngivna för deras förmåga att leda elektrisk ström utan motstånd vid temperaturer långt över traditionella supraledares. Ett annat klassiskt exempel är de tunga fermionmaterial som upptäcktes i slutet av 1970-talet. I dessa, elektroner verkar vara hundratals gånger mer massiva än normalt och, lika ovanligt, den effektiva elektronmassan tycks variera kraftigt när temperaturen ändras.

En generation av teoretiska fysiker ägnade sina karriärer åt att förklara hur kvantmaterial fungerar. Sis arbete fokuserar på det kollektiva beteende som uppstår i elektroniska material som genomgår transformation från ett kvanttillstånd till ett annat. Det är nära sådana förvandlingspunkter, eller "kvantkritiska punkter, "att fenomen som högtemperatursupraledning uppstår.

År 2001, Si och kollegor erbjöd en ny teori som förklarade hur elektroniska fluktuationer mellan två helt olika kvanttillstånd ger upphov till sådana beteenden vid kvantkritiska punkter. Teorin har gjort det möjligt för Si och kollegor att göra en mängd förutsägelser om det kvantbeteende som kommer att uppstå i särskilda typer av material när materialen kyls till den kvantkritiska punkten. Under 2014, Si knackades för att leda Rice Center for Quantum Materials (RCQM), en universitetsomfattande insats som bygger på arbetet i mer än ett dussin risgrupper över naturvetenskapliga och tekniska skolorna.

"Vi har varit helt fascinerade av starkt korrelerade material, "Si sade om sin egen grupp. "Kollektivt beteende som kvantkriticitet och högtemperatursupraledning har alltid varit i centrum för vår uppmärksamhet.

"Under de senaste två åren, flera experimentella grupper har rapporterat icke-trivial topologi i ledande material i fast tillstånd, men det är en öppen fråga om det finns ledande tillstånd som har icke-trivial topologi och är, på samma gång, starkt interagerande. Inget sådant material har realiserats, men det finns ett stort intresse för att leta efter dem."

I PNAS studie, Si sa att han och postdoktor Hsin-Hua Lai och doktorand Sarah Grefe arbetade med en uppsättning modeller för att undersöka frågor relaterade till kvantkriticitet och högtemperatursupraledare.

"Vi snubblade verkligen över en modell där, plötsligt, vi fann att massan hade gått från typ 1, 000 gånger massan av en elektron till noll, " sa Lai. En signatur som är karakteristisk för "Weyl fermioner, " svårfångade kvantpartiklar som först föreslogs av Hermann Weyl för mer än 80 år sedan, är att de har noll massa.

Experimentalister har först nyligen tillhandahållit bevis för förekomsten av ledande material i fast tillstånd som kvalificerar sig som värd för Weyl-fermioner. Dessa material delar några av egenskaperna hos topologiska isolatorer, en typ av kvantmaterial som fick internationell uppmärksamhet efter tilldelningen av 2016 års Nobelpris i fysik, men är ganska olika på andra sätt. Traditionellt, topologiska material har bara definierats i isolatorer, och elektricitet skulle bara flöda på materialens yta och inte genom bulken. De topologiska ledarna, dock, bära el i bulk, tack vare Weyl-fermionerna.

"Dessa topologiska ledare kan beskrivas inom läroboksramen för oberoende elektroner, " sa Grefe. "Den centrala frågan, lika utmanande som fascinerande, är detta:Vad händer när elektronkorrelationerna är starka?"

När vi granskade deras arbete närmare, Si, Lai och Grefe visade att deras nollmassa fermioner är intimt knutna till både starka elektronkorrelationer och icke-trivial topologi.

"Vi insåg snabbt att dessa är Weyl-fermioner som härstammar från en kvintessensiell starkkorrelationsfysik som kallas Kondo-effekten, ", sa Grefe. "Vi kallade därför denna stat en Weyl-Kondo halvmetall."

Kondo-effekten fångar hur ett band av elektroner, som är så starkt korrelerade med varandra att de fungerar som lokala snurr, beter sig i en bakgrund av ledningselektroner.

Tillsammans med studiemedförfattaren Silke Paschen, en experimentell fysiker vid Wiens tekniska universitet som tillbringade sex månader på RCQM som gästprofessor när upptäckten gjordes, Si, Lai och Grefe försökte identifiera de unika experimentella signaturerna för Weyl-Kondo-halvmetallen.

"Vi fann att Kondo-effekten får Weyl-fermionerna att röra sig med en hastighet som skiljer sig med flera storleksordningar från det icke-interagerande fallet, ", sa Lai. "Detta gjorde det möjligt för oss att förutsäga att elektronkorrelationerna kommer att öka en viss kvantitet i temperaturberoendet för den specifika värmen med en häpnadsväckande faktor på en miljard."

Si sa att den här effekten är enorm, även enligt standarden för starkt korrelerade elektronsystem, och arbetet pekar mot en större princip.

"Kondo-effekten i dessa typer av material uppstår i närheten av magnetisk ordning, "Si sa. "Vårt tidigare arbete har visat att supraledning vid hög temperatur tenderar att utvecklas i system på gränsen till magnetisk ordning, och denna studie tyder på att vissa starkt korrelerade topologiska tillstånd utvecklas där också.

"Detta kan mycket väl representera en designprincip som kommer att styra sökandet efter en mängd olika starkt korrelerade topologiska tillstånd, " han sa.