Design af nye kvantematerialer på computeren

Hvordan finder man nye materialer med meget specifikke egenskaber - for eksempel specielle elektroniske egenskaber, som er nødvendige for kvantecomputere? Dette er normalt en meget kompliceret opgave:Der skabes forskellige forbindelser, hvor potentielt lovende atomer er arrangeret i bestemte krystalstrukturer, og derefter undersøges materialet, for eksempel i lavtemperaturlaboratoriet ved TU Wien.

Nu er det lykkedes et samarbejde mellem Rice University (Texas), TU Wien og andre internationale forskningsinstitutioner at finde egnede materialer på computeren. Nye teoretiske metoder bruges til at identificere særligt lovende kandidater fra det store antal mulige materialer. Målinger på TU Wien har vist, at materialerne faktisk har de nødvendige egenskaber, og metoden virker. Dette er et vigtigt skridt fremad for forskning i kvantematerialer. Resultaterne er nu publiceret i tidsskriftet Nature Physics .

Topologiske halvmetaller

Rice University i Texas og TU Wien har allerede arbejdet sammen med stor succes i de senere år i jagten på nye kvantematerialer med helt særlige egenskaber:i 2017 præsenterede de to forskergrupper det første såkaldte "Weyl-Kondo semimetal" - et materiale der potentielt kan spille en vigtig rolle i forskning i kvantecomputerteknologier.

"Elektronerne i et sådant materiale kan ikke beskrives individuelt," forklarer prof. Silke Bühler-Paschen fra Institute of Solid State Physics ved TU Wien. "Der er meget stærke vekselvirkninger mellem disse elektroner, de interfererer med hinanden som bølger i henhold til kvantefysikkens love, og på samme tid frastøder de hinanden på grund af deres elektriske ladning."

Det er netop denne stærke interaktion, der fører til excitationer af elektronerne, som kun kan beskrives ved hjælp af meget omstændelige matematiske metoder. I de materialer, der nu studeres, spiller topologi også en vigtig rolle - det er en gren af ​​matematikken, der beskæftiger sig med geometriske egenskaber, der ikke ændres ved kontinuerlig deformation, såsom antallet af huller i en doughnut, som forbliver det samme, selvom donut er lidt klemt.

På lignende måde kan elektroniske tilstande i materialet forblive stabile, selvom materialet er let forstyrret. Det er netop derfor, disse tilstande er så nyttige til praktiske anvendelser såsom kvantecomputere.

Brug af computeren til at identificere mulige kandidater

Det er umuligt at beregne adfærden af ​​alle de stærkt interagerende elektroner i materialet – ingen supercomputer i verden er i stand til at gøre det. Men baseret på tidligere fund har det nu været muligt at udvikle et designprincip, der anvender forenklede modelberegninger kombineret med matematiske symmetriovervejelser og en database med kendte materialer til at give forslag til, hvilke af disse materialer der kan have de teoretisk forventede topologiske egenskaber.

"Denne metode gav tre sådanne kandidater, og vi producerede derefter et af disse materialer og målte det i vores laboratorium ved lave temperaturer," siger Silke Bühler-Paschen. "Og faktisk indikerer disse første målinger, at det er et højt korreleret topologisk semimetall - det første, der forudsiges på teoretisk grundlag ved hjælp af en computer."

En vigtig nøgle til succes var at udnytte symmetrierne i systemet på en smart måde:"Det, vi postulerede var, at stærkt korrelerede excitationer stadig er underlagt symmetrikrav. På grund af det kan jeg sige meget om topologien af ​​et system uden ty til ab initio-beregninger, som ofte er nødvendige, men som er særligt udfordrende for at studere stærkt korrelerede materialer," siger Qimiao Si fra Rice University. "Alt tyder på, at vi har fundet en robust måde at identificere materialer, der har de egenskaber, vi ønsker." + Udforsk yderligere

Fysikeres demonstrationsmetode til design af topologiske metaller