Nyligt observeret fænomen kan føre til nye kvanteenheder

Et eksotisk fysisk fænomen kendt som en Kohn -anomali er for første gang fundet i en uventet type materiale af forskere ved MIT og andre steder. De siger, at fundet kan give ny indsigt i visse grundlæggende processer, der hjælper med at bestemme, hvorfor metaller og andre materialer viser de komplekse elektroniske egenskaber, der ligger til grund for meget af nutidens teknologi.

Måden elektroner interagerer med fononer - som i det væsentlige er vibrationer, der passerer gennem et krystallinsk materiale - bestemmer de fysiske processer, der finder sted inde i mange elektroniske enheder. Disse interaktioner påvirker den måde, hvorpå metaller modstår elektrisk strøm, temperaturen, ved hvilken nogle materialer pludselig bliver superledere, og kravene til meget lav temperatur for kvantecomputere, blandt mange andre processer.

Men elektron-fonon-interaktioner har været svære at studere i detaljer, fordi de generelt er meget svage. Den nye undersøgelse har fundet en ny, stærkere form for usædvanlig elektron-fonon-interaktion:Forskerne inducerede en Kohn-anomali, som tidligere menes at eksistere kun i metaller, i et eksotisk materiale kaldet et topologisk Weyl -halvmetal. Fundet kunne hjælpe med at belyse vigtige aspekter af det komplekse samspil mellem elektroner og fononer, de siger.

Det nye fund, baseret på både teoretiske forudsigelser og eksperimentel observation, er beskrevet i denne uge i journalen Fysisk gennemgangsbreve , i et oplæg af MIT -kandidatstuderende Thanh Nguyen og Nina Andrejevic, postdoc Ricardo Pablo-Pedro, Forskningsforsker Fei Han, Professor Mingda Li, og 14 andre på MIT og flere andre universiteter og nationale laboratorier.

Kohn -anomalier, først opdaget i 1950'erne af fysikeren Walter Kohn, afspejler en pludselig ændring, undertiden beskrevet som en slags knæk eller vrikke, i grafen, der beskriver en fysisk parameter kaldet elektronresponsfunktionen. Denne diskontinuitet i en ellers glat kurve afspejler en pludselig ændring af elektroners evne til at afskærme fononer. Dette kan give anledning til ustabilitet i udbredelsen af ​​elektroner gennem materialet, og kan føre til mange nye elektroniske egenskaber.

Disse anomalier er blevet observeret før i visse metaller og i andre meget elektrisk ledende materialer, såsom grafen, men var aldrig set eller forudsagt før i et "topologisk materiale, "hvis elektriske adfærd er robust mod forstyrrelser. I dette tilfælde, en slags topologisk materiale kaldet et Weyl -halvmetal, specifikt tantalphosphid, viste sig at være i stand til at udvise denne usædvanlige anomali. I modsætning til konventionelle metaller, hvor en ejendom kaldet Fermi -overfladen driver dannelsen af ​​Kohn -anomalien, i dette materiale, Weyl -punkterne fungerer som drivkraften.

Fordi elektron-phonon-koblinger finder sted stort set overalt hele tiden, de kan være en stor kilde til forstyrrelse i sarte fysiske systemer, såsom dem, der bruges til at repræsentere data i kvantecomputere. Måling af styrken af ​​disse interaktioner, som er nøglen til at vide, hvordan man beskytter sådanne kvantebaserede teknologier, har været meget svært, men dette nye fund, Li siger, giver en måde at foretage sådanne målinger på. "Kohn-anomalien kan bruges til at kvantificere, hvor stærk elektron-fonon-koblingen kan være, " han siger.

For at måle interaktionerne, teamet brugte avancerede neutron- og røntgenstrålesonder på tre nationale laboratorier-Argonne National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, og National Institute of Standards and Technology - for at undersøge tantalphosphidmaterialets adfærd. "Vi forudsagde, at der er en Kohn -anomali i materialet, der bare er baseret på ren teori, "Li forklarer, Ved hjælp af deres beregninger, "vi kunne guide eksperimenterne til det punkt, hvor vi vil søge efter fænomenet, og vi ser en meget god overensstemmelse mellem teori og eksperimenterne. "

Martin Greven, en professor i fysik ved University of Minnesota, der ikke var involveret i denne forskning, siger, at dette værk "har en imponerende bredde og dybde, spænder over både sofistikeret teori og spredningsforsøg. Det bryder ny jord i kondenseret fysik, ved at den etablerer en ny slags Kohn -anomali. "

En bedre forståelse af elektron-phonon-koblingerne kan hjælpe med at lede vejen til at udvikle materialer som bedre superledere ved høj temperatur eller fejltolerante kvantecomputere, siger forskerne. Dette nye værktøj kan bruges til at undersøge materialegenskaber på jagt efter dem, der forbliver relativt upåvirkede ved højere temperaturer.

Brent Fultz, professor i materialevidenskab og anvendt fysik ved Caltech, som heller ikke var involveret i dette arbejde, tilføjer, at "måske vil disse effekter hjælpe udviklingen af ​​materialer med nye termiske eller elektroniske egenskaber, men da de er så nye, vi har brug for tid til at tænke over, hvad de kan. "

Nguyen, papirets hovedforfatter, siger, at han mener, at dette arbejde er med til at demonstrere den til tider overset betydning af fononer i topologiske materialers adfærd. Materialer som disse, hvis overfladeelektriske egenskaber er forskellige fra massematerialets, er et varmt område af aktuel forskning. "Jeg tror, ​​at dette kan få os til at forstå processer, der ligger til grund for nogle af disse materialer, der giver mange løfter for fremtiden, "siger Andrejevic, der sammen med Han var medlederforfatter på papiret.

"Selvom elektron-fonon-interaktion længe er kendt for at eksistere, den eksperimentelle forudsigelse og observation af disse interaktioner er yderst sjælden, "siger professor i fysik og astronomi Pengcheng Dai ved Rice University, som heller ikke var involveret i dette arbejde. Disse resultater, han siger, "giver en glimrende demonstration af kraften i kombineret teori og eksperimenter som en måde at udvide vores forståelse af disse eksotiske materialer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.