Kredit:CC0 Public Domain
Amerikanska och europeiska fysiker har visat en ny metod för att förutsäga om metalliska föreningar sannolikt kommer att vara värd för topologiska tillstånd som uppstår från starka elektroninteraktioner.
Fysiker från Rice University, som leder forskningen och samarbetar med fysiker från Stony Brook University, Österrikes tekniska universitet i Wien (TU Wien), Los Alamos National Laboratory, Spaniens Donostia International Physics Center och Tysklands Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, avslöjade deras ny designprincip i en studie publicerad online idag i Nature Physics .
Teamet inkluderar forskare vid Rice, TU Wien och Los Alamos som upptäckte den första starkt korrelerade topologiska halvmetallen 2017. Det systemet och andra som den nya designprincipen försöker identifiera eftersträvas brett av kvantdatorindustrin eftersom topologiska tillstånd har oföränderliga egenskaper som inte kan förändras. raderas eller förloras till kvantdekoherens.
"Landskapet med starkt korrelerad topologisk materia är både stort och till stor del outforskat", säger studiens medförfattare Qimiao Si, Rice's Harry C. och Olga K. Wiess professor i fysik och astronomi. "Vi förväntar oss att detta arbete kommer att hjälpa till att vägleda dess utforskning."
2017 genomförde Sis forskargrupp på Rice en modellstudie och fann ett överraskande materiatillstånd som var värd för både topologisk karaktär och ett typiskt exempel på starkkorrelationsfysik som kallas Kondo-effekten, en interaktion mellan magnetiska momenten hos korrelerade elektroner begränsade till atomer i en metall och de samlade spinn av miljarder passerande ledningselektroner. Samtidigt introducerade ett experimentteam ledd av TU Wiens Silke Paschen ett nytt material och rapporterade att det hade samma egenskaper som de i den teoretiska lösningen. De två teamen kallade materiens starkt korrelerade tillstånd en Weyl-Kondo-halvmetall. Si sa att kristallin symmetri spelade en viktig roll i studierna, men analysen stannade på proof-of-principle-nivån.
"Vårt arbete 2017 fokuserade på en sorts väteatom av kristallin symmetri", säger Si, en teoretisk fysiker som har ägnat mer än två decennier åt att studera starkt korrelerade material som tunga fermioner och okonventionella supraledare. "Men det satte scenen för att designa ny korrelerad metallisk topologi."
Starkt korrelerade kvantmaterial är de där växelverkan mellan miljarder på miljarder elektroner ger upphov till kollektiva beteenden som okonventionell supraledning eller elektroner som beter sig som om de har mer än 1 000 gånger sin normala massa. Även om fysiker har studerat topologiska material i årtionden, har de först nyligen börjat undersöka topologiska metaller som är värd för starkt korrelerade interaktioner.
"Materialdesign är mycket svårt i allmänhet, och att designa starkt korrelerade material är ännu svårare", säger Si, medlem av Rice Quantum Initiative och chef för Rice Center for Quantum Materials (RCQM).
Si and Stony Brook's Jennifer Cano led a group of theorists that developed a framework for identifying promising candidate materials by cross-referencing information in a database of known materials with the output of theoretical calculations based on realistic crystal structures. Using the method, the group identified the crystal structure and elemental composition of three materials that were likely candidates for hosting topological states arising from the Kondo effect.
"Since we developed the theory of topological quantum chemistry, it has been a longstanding goal to apply the formalism to strongly correlated materials," said Cano, an assistant professor of physics and astronomy at Stony Brook and research scientist at the Flatiron Institute's Center for Computational Quantum Physics. "Our work is the first step in that direction."
Si said the predictive theoretical framework stemmed from a realization he and Cano had following an impromptu discussion session they organized between their respective working groups at the Aspen Center for Physics in 2018.
"What we postulated was that strongly correlated excitations are still subject to symmetry requirements," he said. "Because of that, I can say a lot about the topology of a system without resorting to ab initio calculations that are often required but are particularly challenging for studying strongly correlated materials."
To test the hypothesis, the theorists at Rice and Stony Brook carried out model studies for realistic crystalline symmetries. During the pandemic, the theoretical teams in Texas and New York had extensive virtual discussions with Paschen's experimental group at TU Wien. The collaboration developed the design principle for correlated topological-semimetal materials with the same symmetries as used in the model studied. The utility of the design principle was demonstrated by Paschen's team, which made one of the three identified compounds, tested it and verified that it hosted the predicted properties.
"All indications are that we have found a robust way to identify materials that have the features we want," Si said. + Utforska vidare
