I vardagen, fasövergångar har vanligtvis att göra med temperaturförändringar, t.ex. när en isbit blir varmare och smälter. Men det finns också olika typer av fasövergångar, beroende på andra parametrar såsom magnetfält. För att förstå materialens kvantegenskaper, fasövergångar är särskilt intressanta när de inträffar direkt vid temperaturens absoluta nollpunkt. Dessa övergångar kallas "kvantfasövergångar" eller "kvantkritiska punkter".

En sådan kvantkritisk punkt har nu upptäckts av en österrikisk-amerikansk forskargrupp i ett nytt material, och i en ovanligt orörd form. Egenskaperna hos detta material undersöks nu ytterligare. Det misstänks att materialet kan vara en så kallad Weyl-Kondo-halvmetall, som anses ha stor potential för kvantteknologi på grund av speciella kvanttillstånd (så kallade topologiska tillstånd). Om detta visar sig vara sant, en nyckel för riktad utveckling av topologiska kvantmaterial skulle ha hittats. Resultaten återfanns i ett samarbete mellan TU Wien, Johns Hopkins University, National Institute of Standards and Technology (NIST) och Rice University och har nu publicerats i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

Kvantkritik – enklare och tydligare än någonsin tidigare

"Vanligtvis studeras kvantkritiskt beteende i metaller eller isolatorer. Men vi har nu tittat på en halvmetall, säger Prof. Silke Bühler-Paschen från Institutet för fasta tillståndets fysik vid TU Wien. Materialet är en förening av cerium, rutenium och tenn - med egenskaper som ligger mellan metaller och halvledares egenskaper.

Vanligtvis, kvantkriticitet kan bara skapas under mycket specifika miljöförhållanden - ett visst tryck eller ett elektromagnetiskt fält. "Förvånande, dock, vår halvmetall visade sig vara kvantkritisk utan någon yttre påverkan alls, säger Wesley Fuhrman, en Ph.D. student i prof. Collin Broholms team vid Johns Hopkins University, som gjorde ett viktigt bidrag till resultatet med neutronspridningsmätningar. "Normalt måste man arbeta hårt för att få fram lämpliga laboratorieförhållanden, men denna semimetall tillhandahåller kvantkriticiteten helt av sig själv."

Detta överraskande resultat är förmodligen relaterat till det faktum att elektronernas beteende i detta material har vissa speciella egenskaper. "Det är ett starkt korrelerat elektronsystem. Det betyder att elektronerna interagerar starkt med varandra, och att du inte kan förklara deras beteende genom att titta på elektronerna individuellt, " säger Bühler-Paschen. "Denna elektroninteraktion leder till den så kallade Kondo-effekten. Här, ett kvantspinn i materialet skyddas av elektroner som omger det, så att snurren inte längre påverkar resten av materialet. "'

Om det bara finns relativt få fria elektroner, som fallet är i en halvmetall, då är Kondo -effekten instabil. Detta kan vara orsaken till materialets kvantkritiska beteende:systemet fluktuerar mellan ett tillstånd med och ett tillstånd utan Kondo-effekten, och detta har effekten av en fasövergång vid noll temperatur.

Kvantfluktuationer kan leda till Weyl-partiklar

Den främsta anledningen till att resultatet är av så central betydelse är att det misstänks vara nära kopplat till fenomenet "Weyl fermioner". I fasta ämnen, Weylfermioner kan förekomma i form av kvasipartiklar — dvs. som kollektiva excitationer som vågor i en damm. Enligt teoretiska förutsägelser, sådana Weyl-fermioner borde finnas i detta material, "säger teoretiska fysikern Qimiao Si från Rice University. Experimentella bevis, dock, är ännu att hitta. "Vi misstänker att den kvantkriticitet vi observerade gynnar förekomsten av sådana Weyl-fermioner, " säger Silke Bühler-Paschen. "Kvantkritiska fluktuationer kan därför ha en stabiliserande effekt på Weyl-fermioner, på ett liknande sätt som kvantkritiska fluktuationer i högtemperatursupraledare som håller ihop supraledande Cooper-par. Detta är en mycket grundläggande fråga som är föremål för mycket forskning runt om i världen, och vi har upptäckt en het ny lead här."

Det förefaller oss som om vissa kvanteffekter – nämligen kvantkritiska fluktuationer, Kondo-effekten och Weyl-fermioner – är tätt sammanflätade i det nyupptäckta materialet och, tillsammans, ge upphov till exotiska Weyl-Kondo-tillstånd. Dessa är 'topologiska' tillstånd med stor stabilitet som, till skillnad från andra kvanttillstånd, kan inte lätt förstöras av yttre störningar. Detta gör dem särskilt intressanta för kvantdatorer.

För att verifiera allt detta, ytterligare mätningar under olika yttre förhållanden ska utföras. Teamet förväntar sig att ett liknande samspel mellan de olika kvanteffekterna också ska finnas i andra material. "Detta kan leda till upprättandet av ett designkoncept med vilket sådana material specifikt kan förbättras, skräddarsydda och används för konkreta applikationer, säger Bühler-Paschen.