Weyl-Kondo semimetal:Fysikere opdager en ny type kvantemateriale

Amerikanske og europæiske fysikere, der ledte efter en forklaring på høj temperatur superledningsevne, blev overraskede, da deres teoretiske model pegede på eksistensen af ​​et aldrig før set materiale i et andet fysikområde:topologiske kvantematerialer.

I en ny undersøgelse, der forventes i denne uge i den tidlige udgave af Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ), Rice Universitys teoretiske fysiker Qimiao Si og kolleger ved Rice Center for Quantum Materials i Houston og Vienna University of Technology i Østrig laver forudsigelser, der kan hjælpe eksperimentelle fysikere med at skabe det, forfatterne har opfundet et "Weyl-Kondo-halvmetal, "et kvantemateriale med en samling af egenskaber set i forskellige materialer som topologiske isolatorer, tunge fermionmetaller og høj temperatur superledere.

Alle disse materialer falder ind under overskriften "kvantematerialer, "keramik, lagdelte kompositter og andre materialer, hvis elektromagnetiske adfærd ikke kan forklares med klassisk fysik. Med ordene fra den kendte videnskabsforfatter Philip Ball, kvantematerialer er de materialer, hvor "kvanteaspekterne hævder sig ihærdigt, og den eneste måde til fuldt ud at forstå, hvordan materialet opfører sig, er at holde kvanten i udsigt. "

Disse skæve adfærd opstår kun ved meget kolde temperaturer, hvor de ikke kan maskeres af termiske energis overvældende kræfter. De mest berømte kvantematerialer er superledere ved høj temperatur, der blev opdaget i 1980'erne, så opkaldt efter deres evne til at lede elektrisk strøm uden modstand ved temperaturer langt over de traditionelle superledere. Et andet klassisk eksempel er de tunge fermionmaterialer, der blev opdaget i slutningen af ​​1970'erne. I disse, elektroner ser ud til at være effektivt hundredvis af gange mere massive end normalt og, lige så usædvanligt, den effektive elektronmasse ser ud til at variere stærkt, når temperaturen ændres.

En generation af teoretiske fysikere dedikerede deres karriere til at forklare, hvordan kvantematerialer fungerer. Sis arbejde fokuserer på den kollektive adfærd, der opstår i elektroniske materialer, der gennemgår transformation fra en kvantetilstand til en anden. Det er tæt på sådanne transformationspunkter, eller "kvantekritiske punkter, "at der opstår fænomener som høj temperatur superledning.

I 2001, Si og kolleger tilbød en ny teori, der forklarede, hvordan elektroniske udsving mellem to helt forskellige kvantetilstande giver anledning til sådan adfærd på kvantekritiske punkter. Teorien har givet Si og kolleger mulighed for at lave en lang række forudsigelser om den kvanteopførsel, der vil opstå i bestemte materialetyper, når materialerne afkøles til det kvantekritiske punkt. I 2014, Si blev tappet til at lede Rice Center for Quantum Materials (RCQM), en universitetsindsats, der trækker på arbejdet i mere end et dusin risgrupper på tværs af naturvidenskabelige og ingeniørskoler.

"Vi har været helt fascineret af stærkt korrelerede materialer, "Si sagde om sin egen gruppe." Kollektiv adfærd som kvantekritikalitet og høj temperatur superledning har altid været i centrum for vores opmærksomhed.

"I løbet af de sidste to år har flere eksperimentelle grupper har rapporteret utrivelig topologi i solid-state ledende materialer, men det er et åbent spørgsmål, om der er ledende stater, der har utrivelig topologi og er, på samme tid, stærkt interagerende. Ingen sådanne materialer er blevet realiseret, men der er stor interesse i at lede efter dem. "

I PNAS undersøgelse, Si sagde, at han og postdoktor Hsin-Hua Lai og kandidatstuderende Sarah Grefe arbejdede med et sæt modeller for at undersøge spørgsmål vedrørende kvantekritikalitet og højtemperatur-superledere.

"Vi faldt egentlig bare over en model, hvor, pludselig, vi fandt ud af, at massen var gået fra 1, 000 gange massen af ​​en elektron til nul, "Sagde Lai. En karakteristisk egenskab ved" Weyl fermioner, "undvigende kvantepartikler, der først blev foreslået af Hermann Weyl for mere end 80 år siden, er, at de har nul masse.

Eksperimentister har først for nylig fremlagt beviser for eksistensen af ​​solid-state ledende materialer, der kvalificerer sig til at være vært for Weyl fermions. Disse materialer deler nogle af egenskaberne ved topologiske isolatorer, en type kvantemateriale, der fik international opmærksomhed efter tildelingen af ​​Nobelprisen i fysik i 2016, men er ganske forskellige på andre måder. Traditionelt set topologiske materialer er kun defineret i isolatorer, og elektricitet ville kun flyde på materialernes overflade og ikke gennem massen. De topologiske ledere, imidlertid, transportere elektricitet i hovedparten, takket være Weyl fermioner.

"Disse topologiske ledere kan beskrives inden for lærebogens rammer for uafhængige elektroner, "Sagde Grefe." Det centrale spørgsmål, lige så udfordrende som fascinerende, er dette:Hvad sker der, når elektronkorrelationerne er stærke? "

Ved at undersøge deres arbejde nærmere Si, Lai og Grefe demonstrerede, at deres nulmassefermioner er intimt knyttet til både stærke elektronkorrelationer og ikke-lokal topologi.

"Vi indså hurtigt, at det er Weyl-fermioner, der stammer fra en karakteristisk stærk-korrelationsfysik kaldet Kondo-effekten, "Sagde Grefe." Vi kaldte derfor denne tilstand for et Weyl-Kondo-halvmetal. "

Kondo -effekten fanger, hvordan et bånd af elektroner, som er så stærkt korreleret med hinanden, at de fungerer som lokaliserede spins, opfører sig i en baggrund af ledningselektroner.

Sammen med studieforfatter Silke Paschen, en eksperimentel fysiker ved Wien University of Technology, der tilbragte seks måneder på RCQM som gæsteprofessor, da opdagelsen blev gjort, Si, Lai og Grefe søgte at identificere de unikke eksperimentelle signaturer af Weyl-Kondo-halvmetallet.

"Vi fandt ud af, at Kondo -effekten får Weyl fermionerne til at bevæge sig med en hastighed, der adskiller sig med flere størrelsesordener fra den ikke -interagerende sag, "Lai sagde." Dette gjorde det muligt for os at forudsige, at elektronkorrelationerne vil øge en bestemt mængde i temperaturafhængigheden af ​​den specifikke varme med en forbløffende faktor på en milliard. "

Si sagde, at denne effekt er enorm, selv efter standarden for stærkt korrelerede elektronsystemer, og arbejdet peger på et større princip.

"Kondo -effekten i denne slags materialer forekommer i nærheden af ​​magnetisk orden, "Si sagde." Vores tidligere arbejde har vist, at superledende superledende egenskaber har en tendens til at udvikle sig i systemer på randen af ​​magnetisk orden, og denne undersøgelse tyder på, at der også udvikles nogle stærkt korrelerede topologiske tilstande der.

"Dette kan meget vel repræsentere et designprincip, der vil guide søgen efter en lang række stærkt korrelerede topologiske tilstande, " han sagde.