Flytta över Godzilla vs. King Kong – det här är crossover-eventet du har väntat på. Väl, åtminstone om du är en kondenserad materia-fysiker. Forskare från Harvard University har visat det första materialet som kan ha både starkt korrelerade elektroninteraktioner och topologiska egenskaper. Inte helt säker på vad det betyder? Oroa dig inte, vi tar dig igenom det. Allt du behöver veta just nu är att denna upptäckt inte bara banar väg för mer stabil kvantberäkning utan också en helt ny plattform för att utforska den vilda världen av exotisk fysik.

Forskningen publicerades i Naturfysik .

Låt oss börja med grunderna. Topologiska isolatorer är material som kan leda elektricitet på sin yta eller kant men inte i mitten. Det konstiga med dessa material är att oavsett hur du skär dem, ytan kommer alltid att vara ledande och mitten alltid isolerande. Dessa material erbjuder en lekplats för grundläggande fysik men är också lovande för ett antal tillämpningar inom speciella typer av elektronik och kvantberäkningar.

Sedan upptäckten av topologiska isolatorer, forskare runt om i världen har arbetat med att identifiera material med dessa kraftfulla egenskaper.

"En nyligen uppsving inom kondenserad materiens fysik har kommit från att upptäcka material med topologiskt skyddade egenskaper, sa Harris Pirie, en doktorand vid institutionen för fysik och första författare till uppsatsen.

Ett potentiellt material, samarium hexaborid, har stått i centrum för en hård debatt bland fysiker med kondenserad materia i mer än ett decennium. Den centrala frågan:är det eller är det inte en topologisk isolator?

"Under de senaste tio åren, ett gäng tidningar har kommit ut och sagt ja och ett gäng tidningar har kommit ut och sagt nej, " sade Pirie. "Krinsen i frågan är att de flesta topologiska material inte har starkt interagerande elektroner, vilket betyder att elektronerna rör sig för snabbt för att känna varandra. Men samariumhexaborid gör det, vilket betyder att elektroner inuti detta material saktar ner tillräckligt för att interagera starkt. I detta rike, teorin blir ganska spekulativ och det har varit oklart om det är möjligt för material med starkt interagerande egenskaper att också vara topologiska. Som experimentalister, vi har till stor del opererat blinda med material som detta."

För att lösa debatten och ta reda på, en gång för alla, om det är möjligt att ha både starkt interagerande och topologiska egenskaper, forskarna behövde först hitta en välordnad yta av samariumhexaboridyta att utföra experimentet på.

Det var ingen lätt uppgift, med tanke på att majoriteten av materialets yta är en knasig, oordnad röra. Forskarna använde mätverktyg med ultrahög precision som utvecklats i Jenny Hoffmans labb, Clowes professor i vetenskap och senior författare till tidningen, att hitta en lämplig, atomisk skala av samariumhexaborid.

Nästa, teamet bestämde sig för att avgöra om materialet var topologiskt isolerande genom att skicka vågor av elektroner genom materialet och sprida dem från atomära defekter - som att tappa en sten i en damm. Genom att observera vågorna, forskarna kunde räkna ut elektronernas rörelsemängd i förhållande till deras energi.

"Vi fann att elektronernas rörelsemängd är direkt proportionell mot deras energi, som är den rökande pistolen i en topologisk isolator, " sa Pirie. "Det är verkligen spännande att äntligen flytta in i denna skärningspunkt av interagerande fysik och topologisk fysik. Vi vet inte vad vi kommer att hitta här."

När det gäller kvantberäkning, starkt interagerande topologiska material kan skydda qubits från att glömma deras kvanttillstånd, en process som kallas dekoherens.

"Om vi ​​kunde koda kvantinformationen i ett topologiskt skyddat tillstånd, den är mindre känslig för externt brus som av misstag kan byta qubit, " sa Hoffman. "Microsoft har redan ett stort team som bedriver topologisk kvantberäkning i kompositmaterial och nanostrukturer. Vårt arbete visar en första i ett enda topologiskt material som utnyttjar starka elektroninteraktioner som så småningom kan användas för topologisk kvantberäkning."

"Nästa steg kommer att vara att använda kombinationen av topologiskt skyddade kvanttillstånd och starka interaktioner för att konstruera nya kvanttillstånd av materia, såsom topologiska supraledare, sa Dirk Morr, Professor i fysik vid University of Illinois i Chicago och senior teoretiker på tidningen. "Deras extraordinära egenskaper kan öppna oöverträffade möjligheter för implementering av topologiska kvantbitar."

Denna forskning var medförfattare av Yu Liu, Anjan Soumyanarayanan, Pengcheng Chen, Yang He, M. M. Yee, P.F.S. Rosa, J.D. Thompson, Dae-Jeong Kim, Z. Fisk, Xiangfeng Wang, Johnpierre Paglione, och M.H. Hamidian.

De elektroniska mätningarna vid Harvard och samariumhexaboridkristalltillväxten vid UC Irvine stöddes av National Science Foundation. Kristalltillväxten vid University of Maryland stöddes av Gordon &Betty Moore Foundation. Magnetiska mätningar vid Los Alamos National Lab och teoretiskt arbete vid University of Illinois stöddes av Department of Energy.