Lorsque D se transforme en F, la matière quantique est A

Jun 27, 2023

Les physiciens de l'Université Rice ont montré que les états topologiques immuables, très recherchés pour l'informatique quantique, peuvent être intriqués avec d'autres états quantiques manipulables dans certains matériaux.

"La chose surprenante que nous avons découverte est que dans un type particulier de réseau cristallin, où les électrons restent coincés, le comportement fortement couplé des électrons dans les orbitales atomiques d agit en fait comme les systèmes orbitaux f de certains fermions lourds", a déclaré Qimiao Si, co- auteur d'une étude sur la recherche dans Science Advances.

Cette découverte inattendue constitue un pont entre les sous-domaines de la physique de la matière condensée qui se sont concentrés sur les propriétés émergentes différentes des matériaux quantiques. Dans les matériaux topologiques, par exemple, les modèles d’intrication quantique produisent des états « protégés » et immuables qui pourraient être utilisés pour l’informatique quantique et la spintronique. Dans les matériaux fortement corrélés, l’intrication de milliards et de milliards d’électrons donne lieu à des comportements tels que la supraconductivité non conventionnelle et les fluctuations magnétiques continuelles dans les liquides à spin quantique.

Dans l'étude, Si et le co-auteur Haoyu Hu, un ancien étudiant diplômé de son groupe de recherche, ont construit et testé un modèle quantique pour explorer le couplage électronique dans un arrangement de réseau « frustré » comme ceux trouvés dans les métaux et semi-métaux qui comportent des « bandes plates ». », indique que les électrons restent bloqués et que les effets fortement corrélés sont amplifiés.

La recherche fait partie d'un effort continu de Si, qui a remporté en juillet une prestigieuse bourse Vannevar Bush du ministère de la Défense pour poursuivre la validation d'un cadre théorique de contrôle des états topologiques de la matière.

Dans l’étude, Si et Hu ont montré que les électrons des orbitales atomiques d pourraient faire partie d’orbitales moléculaires plus grandes partagées par plusieurs atomes du réseau. La recherche a également montré que les électrons des orbitales moléculaires pouvaient s'emmêler avec d'autres électrons frustrés, produisant des effets fortement corrélés très familiers à Si, qui a passé des années à étudier les matériaux à fermions lourds.

"Ce sont des systèmes entièrement à électrons D", a déclaré Si. « Dans le monde d-electron, c'est comme si vous aviez une autoroute à plusieurs voies. Dans le monde des électrons f, vous pouvez imaginer des électrons se déplaçant sur deux niveaux. L’une est comme l’autoroute des électrons D, et l’autre est comme un chemin de terre, où le mouvement est très lent.

Si a déclaré que les systèmes à électrons f hébergent des exemples très clairs de physique fortement corrélée, mais qu'ils ne sont pas pratiques pour une utilisation quotidienne.

"Ce chemin de terre est très loin de l'autoroute", a-t-il déclaré. « L’influence de l’autoroute est très faible, ce qui se traduit par une échelle d’énergie infime et une physique à très basse température. Cela signifie que vous devez atteindre des températures autour de 10 Kelvin environ pour même voir les effets du couplage.

« Ce n’est pas le cas dans le monde des électrons D. Les choses s’articulent assez efficacement sur l’autoroute à plusieurs voies.

Et cette efficacité de couplage persiste, même en cas de bande plate. Si l'a comparé à l'une des voies de l'autoroute devenant aussi inefficace et lente que le chemin de terre à électrons F.

"Même lorsqu'elle s'est transformée en un chemin de terre, elle partage toujours son statut avec les autres voies, car elles proviennent toutes de l'orbitale D", a déclaré Si. « Il s’agit en fait d’un chemin de terre, mais il est beaucoup plus fortement couplé, ce qui se traduit en physique à des températures beaucoup plus élevées.

"Cela signifie que je peux avoir toute la physique exquise basée sur les électrons f, pour laquelle j'ai des modèles bien définis et beaucoup d'intuition issue d'années d'études, mais au lieu de devoir aller à 10 Kelvin, je peux potentiellement travailler à, disons, 200 Kelvin, voire 300 Kelvin, ou à température ambiante. Donc, du point de vue des fonctionnalités, c’est extrêmement prometteur.

Si est professeur Harry C. et Olga K. Wiess de physique et d'astronomie à Rice, membre de la Rice Quantum Initiative et directeur du Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

La recherche a été financée par le ministère de l'Énergie (SC0018197), le Bureau de recherche scientifique de l'Armée de l'Air (FA9550-21-1-0356), la Fondation Welch (C-1411) et a reçu le soutien du National Science par le biais d'installations informatiques et de visite. Fondation (1607611, 0216467, 1338099, DMR160057).