Fysikeres demonstrasjonsmetode for utforming av topologiske metaller

Amerikanske og europeiske fysikere har demonstrert en ny metode for å forutsi hvorvidt metalliske forbindelser sannsynligvis vil være vertskap for topologiske tilstander som oppstår fra sterke elektroninteraksjoner.

Fysikere fra Rice University, som leder forskningen og samarbeider med fysikere fra Stony Brook University, Østerrikes teknologiske universitet i Wien (TU Wien), Los Alamos National Laboratory, Spanias Donostia International Physics Center og Tysklands Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, avduket deres nytt designprinsipp i en studie publisert på nettet i dag i Naturfysikk.

Teamet inkluderer forskere ved Rice, TU Wien og Los Alamos som oppdaget det første sterkt korrelerte topologiske semimetallet i 2017. Dette systemet og andre det nye designprinsippet søker å identifisere er bredt søkt av kvantedataindustrien fordi topologiske tilstander har uforanderlige egenskaper som ikke kan endres. bli slettet eller tapt for kvantedekoherens.

“Landskapet med sterkt korrelert topologisk materie er både stort og stort sett uundersøkt,” sa studiens medforfatter Qimiao Si, Rice’s Harry C. og Olga K. Wiess professor i fysikk og astronomi. “Vi forventer at dette arbeidet vil hjelpe til med å lede utforskningen.”

I 2017 gjennomførte Sis forskningsgruppe ved Rice en modellstudie og fant en overraskende materietilstand som var vert for både topologisk karakter og et typisk eksempel på sterkkorrelasjonsfysikk kalt Kondo-effekten, en interaksjon mellom de magnetiske momentene til korrelerte elektroner begrenset til atomer i et metall og de kollektive spinnene til milliarder av passerende ledningselektroner. Samtidig introduserte et eksperimentelt team ledet av TU Wiens Silke Paschen en nytt materiale og rapporterte at den hadde de samme egenskapene som de i den teoretiske løsningen. De to lagene kalte den sterkt korrelerte tilstanden til materie som en Weyl-Kondo-halvmetall. Si sa at krystallinsk symmetri spilte en viktig rolle i studiene, men analysen holdt seg på bevis-av-prinsippet.

“Vårt 2017-arbeid fokuserte på et slags hydrogenatom med krystallinsk symmetri,” sa Si, en teoretisk fysiker som har brukt mer enn to tiår på å studere sterkt korrelerte materialer som tunge fermioner og ukonvensjonelle superledere. “Men det satte scenen for å designe ny korrelert metallisk topologi.”

Sterkt korrelert kvantematerialer er de der interaksjonene mellom milliarder på milliarder av elektroner gir opphav til kollektiv atferd som ukonvensjonell superledning eller elektroner som oppfører seg som om de har mer enn 1000 ganger sin normale masse. Selv om fysikere har studert topologiske materialer i flere tiår, har de først nylig begynt å undersøke topologiske metaller som er vert for sterkt korrelerte interaksjoner.

“Materialdesign er veldig vanskelig generelt, og det er vanskeligere å designe sterkt korrelerte materialer,” sa Si, medlem av Rice Quantum Initiative og direktør for Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

Si og Stony Brooks Jennifer Cano ledet en gruppe teoretikere som utviklet et rammeverk for å identifisere lovende kandidatmateriale ved å kryssreferanser informasjon i en database med kjente materialer med utdata fra teoretiske beregninger basert på realistiske krystallstrukturer. Ved å bruke metoden identifiserte gruppen krystallstrukturen og elementsammensetningen til tre materialer som var sannsynlige kandidater for å være vertskap for topologiske tilstander som oppsto fra Kondo-effekten.

“Siden vi utviklet teorien om topologisk kvantekjemi, har det vært et langvarig mål å bruke formalismen på sterkt korrelerte materialer,” sa Cano, assisterende professor i fysikk og astronomi ved Stony Brook og forsker ved Flatiron Institutes Center for Computational. Kvantefysikk. “Vårt arbeid er det første skrittet i den retningen.”

Si sa at det prediktive teoretiske rammeverket stammet fra en erkjennelse han og Cano hadde etter en improvisert diskusjonssesjon de organiserte mellom sine respektive arbeidsgrupper ved Aspen Center for Physics i 2018.

“Det vi postulerte var at sterkt korrelerte eksitasjoner fortsatt er underlagt symmetrikrav,” sa han. “På grunn av det kan jeg si mye om topologien til et system uten å ty til ab initio-beregninger som ofte kreves, men som er spesielt utfordrende for å studere sterkt korrelerte materialer.”

For å teste hypotesen, utførte teoretikere ved Rice og Stony Brook modellstudier for realistiske krystallinske symmetrier. Under pandemien hadde de teoretiske teamene i Texas og New York omfattende virtuelle diskusjoner med Paschens eksperimentelle gruppe ved TU Wien. Samarbeidet utviklet designprinsippet for korrelerte topologisk-semimetallmaterialer med de samme symmetriene som ble brukt i den studerte modellen. Nytten av designprinsippet ble demonstrert av Paschens team, som laget en av de tre identifiserte forbindelsene, testet den og bekreftet at den var vert for de forutsagte egenskapene.

“Alle indikasjoner tyder på at vi har funnet en robust måte å identifisere materialer som har funksjonene vi ønsker,” sa Si.

---

---