Skip to content
Home » Demonstratiemethode voor natuurkundigen voor het ontwerpen van topologische metalen

Demonstratiemethode voor natuurkundigen voor het ontwerpen van topologische metalen

    Demonstratiemethode voor natuurkundigen voor het ontwerpen van topologische metalen
    2d materiaal

    Krediet: CC0 Publiek Domein

    Amerikaanse en Europese natuurkundigen hebben een nieuwe methode gedemonstreerd om te voorspellen of metaalverbindingen waarschijnlijk topologische toestanden bevatten die voortkomen uit sterke elektroneninteracties.


    Natuurkundigen van Rice University, die het onderzoek leiden en samenwerken met natuurkundigen van Stony Brook University, de Oostenrijkse Technische Universiteit van Wenen (TU Wien), Los Alamos National Laboratory, het Spaanse Donostia International Physics Centre en het Duitse Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, onthulden hun nieuw ontwerpprincipe in een studie die vandaag online is gepubliceerd in NatuurNatuurkunde.

    Het team bestaat uit wetenschappers van Rice, TU Wien en Los Alamos die in 2017 het eerste sterk gecorreleerde topologische halfmetaal ontdekten. Dat systeem en andere die het nieuwe ontwerpprincipe probeert te identificeren, worden algemeen gezocht door de kwantumcomputerindustrie omdat topologische toestanden onveranderlijke kenmerken hebben die niet worden gewist of verloren gaan door kwantumdecoherentie.

    “Het landschap van sterk gecorreleerde topologische materie is zowel groot als grotendeels niet onderzocht”, zei co-auteur Qimiao Si, Rice’s Harry C. en Olga K. Wiess hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. “We verwachten dat dit werk de verkenning zal helpen begeleiden.”

    In 2017 voerde de onderzoeksgroep van Si bij Rice een modelstudie uit en vond een verrassende toestand van de materie die zowel topologisch karakter herbergde als een typisch voorbeeld van sterke correlatiefysica, het Kondo-effect, een interactie tussen de magnetische momenten van gecorreleerde elektronen beperkt tot atomen in een metaal en de collectieve spins van miljarden passerende geleidingselektronen. Tegelijkertijd introduceerde een experimenteel team onder leiding van Silke Paschen van de TU Wien een nieuw materiaal en meldde dat het dezelfde eigenschappen had als die in de theoretische oplossing. De twee teams noemden de sterk gecorreleerde toestand van de materie een Weyl-Kondo-halfmetaal. Si zei dat kristallijne symmetrie een belangrijke rol speelde in de studies, maar de analyse bleef op het proof-of-principle-niveau.

    “Ons werk in 2017 was gericht op een soort waterstofatoom met kristallijne symmetrie”, zegt Si, een theoretisch fysicus die meer dan twee decennia heeft besteed aan het bestuderen van sterk gecorreleerde materialen zoals zware fermionen en onconventionele supergeleiders. “Maar het zette de toon voor het ontwerpen van nieuwe gecorreleerde metalen topologie.”

    Sterk gecorreleerde kwantummaterialen zijn die waarbij de interacties van miljarden op miljarden elektronen aanleiding geven tot collectief gedrag zoals onconventionele supergeleiding of elektronen die zich gedragen alsof ze meer dan 1000 keer hun normale massa hebben. Hoewel natuurkundigen al tientallen jaren topologische materialen bestuderen, zijn ze pas onlangs begonnen met het onderzoeken van topologische metalen die sterk gecorreleerde interacties herbergen.

    “Materiaalontwerp is over het algemeen erg moeilijk, en het ontwerpen van sterk gecorreleerde materialen is nog moeilijker”, zegt Si, een lid van het Rice Quantum Initiative en directeur van het Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

    Jennifer Cano van Si en Stony Brook leidde een groep theoretici die een raamwerk ontwikkelden voor het identificeren van veelbelovende kandidaatmaterialen door middel van kruisverwijzingen naar informatie in een database van bekende materialen met de output van theoretische berekeningen op basis van realistische kristalstructuren. Met behulp van de methode identificeerde de groep de kristalstructuur en elementaire samenstelling van drie materialen die waarschijnlijke kandidaten waren voor het hosten van topologische toestanden die voortkomen uit het Kondo-effect.

    “Sinds we de theorie van de topologische kwantumchemie hebben ontwikkeld, is het al lang een doel geweest om het formalisme toe te passen op sterk gecorreleerde materialen”, zegt Cano, een assistent-professor natuurkunde en astronomie bij Stony Brook en onderzoekswetenschapper bij het Center for Computational van het Flatiron Institute. Kwantumfysica. “Ons werk is de eerste stap in die richting.”

    Si zei dat het voorspellende theoretische kader voortkwam uit een besef dat hij en Cano hadden na een geïmproviseerde discussiesessie die ze in 2018 tussen hun respectieve werkgroepen in het Aspen Center for Physics hadden georganiseerd.

    “Wat we postuleerden, was dat sterk gecorreleerde excitaties nog steeds onderhevig zijn aan symmetrie-eisen,” zei hij. “Daarom kan ik veel zeggen over de topologie van een systeem zonder mijn toevlucht te nemen tot ab initio-berekeningen die vaak nodig zijn, maar bijzonder uitdagend zijn voor het bestuderen van sterk gecorreleerde materialen.”

    Om de hypothese te testen, voerden de theoretici van Rice en Stony Brook modelstudies uit voor realistische kristallijne symmetrieën. Tijdens de pandemie hadden de theoretische teams in Texas en New York uitgebreide virtuele discussies met de experimentele groep van Paschen aan de TU Wien. De samenwerking ontwikkelde het ontwerpprincipe voor gecorreleerde topologisch-halfmetaalmaterialen met dezelfde symmetrieën als gebruikt in het bestudeerde model. Het nut van het ontwerpprincipe werd aangetoond door het team van Paschen, dat een van de drie geïdentificeerde verbindingen maakte, het testte en verifieerde dat het de voorspelde eigenschappen herbergde.

    “Alle aanwijzingen zijn dat we een robuuste manier hebben gevonden om materialen te identificeren die de kenmerken hebben die we willen,” zei Si.


    Verweven: hoe lading en magnetisme met elkaar verweven zijn in kagome-materiaal


    Informatie:
    Silke Paschen, Topologisch halfmetaal gedreven door sterke correlaties en kristallijne symmetrie, NatuurNatuurkunde (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01743-4. www.nature.com/articles/s41567-022-01743-4

    Geleverd door Rice University

    citaten: Demomethode van natuurkundigen voor het ontwerpen van topologische metalen (2022, 15 september) opgehaald op 9 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-09-physicists-demo-method-topological-metals.html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.