Skip to content
Home » Natuurkundigen gebruiken ‘elektronencorrelaties’ om

Natuurkundigen gebruiken ‘elektronencorrelaties’ om

    Natuurkundigen gebruiken 'elektronencorrelaties' om
    Paschen en Si

    afbeelding: Natuurkundigen Silke Paschen (links) van de Technische Universiteit Wenen en Qimiao Si van de Rice University in Rice in november 2021. (Foto door Tommy LaVergne/Rice University)
    visie meer

    Krediet: Tommy LaVergne/Rice University

    HOUSTON – (11 oktober 2022) – Voor het eerst hebben Amerikaanse en Europese natuurkundigen een manier gevonden om de topologische toestand van een kwantummateriaal in en uit te schakelen.

    Omdat ze extreem stabiel zijn en onveranderlijke kenmerken hebben die niet kunnen worden gewist of verloren gaan door kwantumdecoherentie, spelen topologische toestanden een belangrijke rol in materiaalonderzoek en kwantumcomputers. In een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatiebeschreven onderzoekers van Rice University, de Oostenrijkse Technische Universiteit van Wenen (TU Wien), Los Alamos National Laboratory en de Nederlandse Radboud Universiteit hun methode om een ​​magnetisch veld te gebruiken om een ​​topologische toestand in een sterk gecorreleerd metaal te activeren en te deactiveren.

    “Topologische eigenschappen worden meestal gevonden in isolatiematerialen met zwakke elektronencorrelaties”, zegt co-auteur Qimiao Si van Rice, een lid van het Rice Quantum Initiative en directeur van het Rice Center for Quantum Materials (RCQM). “Het materiaal dat we bestuderen is van metaal en is sterk gecorreleerd.”

    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.

    Si, een theoretisch fysicus, werkt al lang samen met de corresponderende auteur van de studie, Silke Bühler-Paschen aan het TU Wien Institute of Solid State Physics. De onderzoeksgroepen van Si en Bühler-Paschen deden eerder opmerkelijke ontdekkingen over topologische toestanden in sterk gecorreleerde kwantummaterialen. Eind 2017 vond de theoretische groep van Si een metallische topologische toestand veroorzaakt door het typische voorbeeld van sterke correlatiefysica, het Kondo-effect, en de experimentele groep van Bühler-Paschen observeerde de toestand in een composietmateriaal gemaakt van cerium, bismut en palladium. De twee teams noemden de sterk gecorreleerde toestand van de materie een Weyl-Kondo-halfmetaal.

    In de nieuwe studie ontdekte het team van Bühler-Paschen dat kleine verstoringen of externe verstoringen geen dramatische verandering in de topologische eigenschappen van het materiaal veroorzaakten, maar de toepassing van een extern magnetisch veld op laboratoriumschaal zou dat wel kunnen.

    “De sterke elektronencorrelaties maken het Weyl-Kondo-halfmetaal extreem gevoelig voor externe sondes zoals een magnetisch veld”, aldus Si, Harry C. en Olga K. Wiess van Rice, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. “Elektronen ervaren niet individueel het effect van een extern magnetisch veld. In plaats daarvan organiseren ze collectief, wat de reactie van de materialen op het externe magnetische veld drastisch versterkt.”

    Si zei dat de metaalachtige aard van de topologische toestand zich leent voor veelzijdige controlemiddelen. Si zei dat het Weyl-Kondo-halfmetaal ladingsdragers heeft die zijn beschreven door de relativistische golfvergelijking van natuurkundige Hermann Weyl uit 1929, die dicteert dat ze in twee varianten voorkomen met tegengestelde chiraliteit. Net als deeltjes materie en antimaterie vernietigen Weyl-fermionen met tegengestelde chiraliteit elkaar als ze botsen.

    Zonder elektronencorrelaties zou het onmogelijk zijn om een ​​magnetisch veld te genereren met voldoende sterkte om Weyl-fermionen van tegengestelde chiraliteit samen te duwen, zei Si. Maar dankzij sterke correlaties in het Weyl-Kondo-halfmetaal kon het team van Bühler-Paschen een extern veld gebruiken om de Weyl-fermionen te dwingen elkaar te vernietigen, waardoor de topologische toestand werd uitgeschakeld.

    “Je kunt ze op een gegeven moment zelfs helemaal laten verdwijnen”, zei Bühler-Paschen. “Dus we hebben stabiele, robuuste eigenschappen die je selectief kunt in- en uitschakelen.”

    De schakelbare topologische toestanden kunnen mogelijk worden gebruikt voor sensortechnologie, zei ze.

    Si zei dat sterke correlaties ervoor zorgen dat de Weyl-fermionen zich koppelen aan straling in het microgolfbereik, wat vooral belangrijk is voor veel technische toepassingen. Hij zei dat de technologie ook kan worden gebruikt voor “geheel nieuwe, meer exotische toepassingen in de elektronica”, waaronder kwantumcomputers.

    Het onderzoek van de studie bij Rice werd ondersteund door de National Science Foundation (2220603), het Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0356) en The Welch Foundation (C-1411).

    -30-

    Peer-reviewed papier:

    “Besturing van elektronische topologie in een sterk gecorreleerd elektronensysteem” | Natuurcommunicatie | DOI: 10.1038/s41467-022-33369-8

    Sami Dzsaber, Diego A. Zocco, Alix McCollam, Franziska Weickert, Ross McDonald, Mathieu Taupin, Gaku Eguchi, Xinlin Yan, Andrey Prokofiev, Lucas MK Tang, Bryan Vlaar, Laurel E. Winter, Marcelo Jaime, Qimiao Si en Silke Paschen

    https://www.nature.com/articles/s41467-022-33369-8

    AFBEELDINGEN in hoge resolutie kunnen worden gedownload op:

    https://www.tuwien.at/nl/tu-wien/nieuws/persberichten/nieuws/topologische-materialen-omschakelbaar
    BIJSCHRIFT: De wederzijdse vernietiging van twee topologische quasideeltjes. (Afbeelding door Raphael Buehler)

    https://news-network.rice.edu/news/files/2022/09/0915_TOPOSEMI-21spqm8tl-lg.jpg
    BIJSCHRIFT: Natuurkundigen Silke Paschen (links) van de Technische Universiteit van Wenen en Qimiao Si van de Rice University in Rice in november 2021. (Foto door Tommy LaVergne/Rice University)

    Gerelateerde verhalen:

    Demonstratiemethode voor natuurkundigen voor het ontwerpen van topologische metalen – 15 september 2022
    https://news.rice.edu/news/2022/physicists-demo-method-designing-topological-metals

    Ongerepte kwantumkritiek gevonden – 24 mei 2021
    https://news.rice.edu/2021/05/24/pristine-quantum-criticality-found/

    Quantum gril levert gigantisch magnetisch effect op, waar er geen zou moeten bestaan ​​- 26 februari 2021
    https://news.rice.edu/2021/02/26/quantum-quirk-yields-giant-magnetic-effect-where-none-should-exist/

    Kwantumkritiek kan een zegen zijn voor qubit-ontwerpers – 23 augustus 2019
    https://news.rice.edu/2019/08/23/quantum-criticality-could-be-a-boon-for-qubit-designers/

    Natuurkundigen van Rice U. ontdekken nieuw type kwantummateriaal – december 18, 2017
    https://news2.rice.edu/2017/12/18/rice-u-physicists-discover-new-type-of-quantum-material/

    Deze release is online te vinden op news.rice.edu.

    Volg Rice News en Media Relations via Twitter @RiceUNews.

    Rice University, gelegen op een beboste campus van 300 hectare in Houston, wordt door US News & World Report consequent gerangschikt onder de 20 beste universiteiten van het land. Rice heeft zeer gerespecteerde scholen voor architectuur, bedrijfskunde, voortgezette studies, techniek, geesteswetenschappen, muziek, natuurwetenschappen en sociale wetenschappen en is de thuisbasis van het Baker Institute for Public Policy. Met 4.240 niet-gegradueerden en 3.972 afgestudeerde studenten, is de verhouding student-tot-faculteit van Rice iets minder dan 6-tegen-1. Het residentiële collegesysteem bouwt hechte gemeenschappen en levenslange vriendschappen op, slechts één reden waarom Rice op nummer 1 staat. 1 voor veel interactie tussen race en klasse en nee. 1 voor kwaliteit van leven door de Princeton Review. Rijst wordt ook beoordeeld als de beste waarde onder particuliere universiteiten door Kiplinger’s Personal Finance.


    Vrijwaring: AAAS en EurekAlert! zijn niet verantwoordelijk voor de juistheid van persberichten die op EurekAlert! door bijdragende instellingen of voor het gebruik van informatie via het EurekAlert-systeem.