Físicos muestran un método para diseñar minerales topológicos

Físicos estadounidenses y europeos han demostrado una nueva forma de predecir si es probable que los compuestos metálicos alberguen estados topológicos derivados de fuertes interacciones de electrones.

Físicos de la Universidad de Rice, liderando la investigación y colaborando con físicos de la Universidad de Stony Brook, la Universidad Tecnológica de Viena en Austria (TU Wien), el Laboratorio Nacional de Los Álamos, el Centro Internacional de Física de Donostia de España y el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos de Alemania, reveló su principio de diseño ¿Qué hay de nuevo en un estudio publicado en línea hoy en Física de la naturaleza.

El equipo incluye científicos de Rice, Two Wayne y Los Alamos que descubrieron el primer semimetálico topológico altamente correlacionado en 2017. Este sistema y otros, el nuevo principio de diseño buscan ser ampliamente identificados por la industria de la computación cuántica porque los estados topológicos tienen características inmutables. Se puede borrar o perder Decoherencia cuántica.

El coautor del estudio Qimiao Si, Harry C. y Olga K. Wiess, profesora de física y astronomía, dijeron Olga K. Wiess. «Esperamos que este trabajo ayude a guiar su exploración».

En 2017, el grupo de investigación de CV Rice realizó un estudio modelo y encontró un estado asombroso de la materia que alberga tanto un carácter topológico como un ejemplo fundamental de física de fuerte correlación llamado efecto Kondo, una interacción entre los momentos magnéticos de los electrones enlazados atrapados en los átomos. en un metal y las bobinas colectivas de miles de millones de electrones de conducción que pasan. . Al mismo tiempo, un equipo experimental dirigido por Silke Paschen de TU Wien presentó nuevo material Afirmó que tiene las mismas propiedades que las encontradas en la solución teórica. Los dos grupos denominaron semimetal Weyl-Kondo al estado fuertemente ligado de la materia. C dijo que la simetría de los cristales jugó un papel importante en los estudios, pero el análisis permaneció en el nivel de prueba de principio.

C dijo, Física teórica quien ha pasado más de dos décadas estudiando materiales altamente enlazados como fermiones pesados ​​y superconductores no convencionales. «Pero allanó el camino para el diseño de nuevas topologías metálicas vinculadas».

fuertemente conectado materiales cuánticos Son aquellos en los que las interacciones de miles de millones con miles de millones de electrones dan lugar a comportamientos colectivos como la superconductividad no convencional o electrones que se comportan como si su masa normal fuera más de 1.000 veces. Aunque los físicos han estudiado materiales topológicos durante décadas, solo recientemente han comenzado a estudiar minerales topológicos que albergan interacciones altamente correlacionadas.

“El diseño de materiales es generalmente muy difícil, y el diseño de materiales altamente correlacionados sigue siendo difícil”, dijo Sy, miembro de Rice Quantum Initiative y director del Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

Jennifer Cano de Si y Stony Brook dirigieron un grupo de teóricos que desarrollaron un marco para identificar materiales candidatos prometedores mediante el cruce de información en una base de datos de materiales conocidos con el resultado de cálculos teóricos basados ​​en estructuras cristalinas realistas. Utilizando el método, el grupo determinó la estructura cristalina y la composición elemental de tres materiales que eran candidatos probables para albergar estados topológicos derivados del efecto Kondo.

dijo Kano, profesor asociado de física y astronomía en Stony Brook y científico investigador en el Centro de Computación para Física Cuántica del Instituto Flatiron. “Nuestro trabajo es el primer paso en esa dirección”.

Sy dijo que el marco teórico predictivo provino de su realización y la de Kano luego de una sesión de discusión improvisada que organizaron entre sus respectivos grupos de trabajo en el Centro de Física de Aspen en 2018.

«Nuestra hipótesis es que las excitaciones fuertemente correlacionadas todavía están sujetas a requisitos de simetría», dijo. «Debido a eso, puedo decir mucho sobre la topología del sistema sin recurrir a los cálculos ab initio que a menudo se requieren pero que son especialmente desafiantes para estudiar materiales altamente correlacionados».

Para probar la hipótesis, los teóricos de Rice y Stony Brook realizaron estudios modelo de simetrías cristalinas realistas. Durante la pandemia, los equipos de teoría en Texas y Nueva York han tenido intensas discusiones virtuales con el Passion Experimental Group en TU Wien. La colaboración desarrolló un principio de diseño para materiales semimetálicos topológicos interconectados con las mismas simetrías utilizadas en el modelo estudiado. La utilidad del principio de diseño fue demostrada por el equipo de Paschen, que fabricó uno de los tres vehículos específicos, lo probó y verificó que tiene las características esperadas.

«Toda la evidencia sugiere que hemos encontrado una forma poderosa de identificar materiales que tienen las características que queremos», dijo Sy.