Nyt kvantemateriale fundet

I hverdagen, faseovergange har normalt at gøre med temperaturændringer - f.eks. når en isterning bliver varmere og smelter. Men der er også forskellige former for faseovergange, afhængigt af andre parametre, såsom magnetfelt. For at forstå materialernes kvanteegenskaber, faseovergange er særligt interessante, når de sker direkte ved det absolutte nulpunkt ved temperatur. Disse overgange kaldes "kvantefaseovergange" eller "kvantekritiske punkter".

Sådan et kvantekritisk punkt er nu blevet opdaget af et østrigsk-amerikansk forskerhold i et nyt materiale, og i en usædvanlig uberørt form. Egenskaberne af dette materiale undersøges nu nærmere. Det er mistanke om, at materialet kan være et såkaldt Weyl-Kondo-halvmetal, som anses for at have et stort potentiale for kvanteteknologi på grund af særlige kvantetilstande (såkaldte topologiske tilstande). Hvis dette viser sig at være sandt, en nøgle til målrettet udvikling af topologiske kvantematerialer ville være fundet. Resultaterne blev fundet i et samarbejde mellem TU Wien, Johns Hopkins University, National Institute of Standards and Technology (NIST) og Rice University og er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

Kvantekritikalitet - enklere og klarere end nogensinde før

"Normalt studeres kvantekritisk adfærd i metaller eller isolatorer. Men vi har nu set på et halvmetal, "siger professor Silke Bühler-Paschen fra Institute of Solid State Physics på TU Wien. Materialet er en forbindelse af cerium, ruthenium og tin - med egenskaber, der ligger mellem metaller og halvlederes egenskaber.

Som regel, kvantekritikalitet kan kun skabes under meget specifikke miljøforhold - et bestemt tryk eller et elektromagnetisk felt. "Overraskende, imidlertid, vores halvmetal viste sig at være kvantekritisk uden nogen som helst ekstern påvirkning, "siger Wesley Fuhrman, en ph.d. studerende i prof. Collin Broholms team ved Johns Hopkins University, der gav et vigtigt bidrag til resultatet med neutronspredningsmålinger. "Normalt skal du arbejde hårdt for at producere de passende laboratorieforhold, men dette semimetal giver kvantekritikken helt af sig selv. "

Dette overraskende resultat hænger sandsynligvis sammen med, at elektroners adfærd i dette materiale har nogle særlige træk. "Det er et stærkt korreleret elektronsystem. Det betyder, at elektronerne interagerer stærkt med hinanden, og at du ikke kan forklare deres adfærd ved at se på elektronerne individuelt, "siger Bühler-Paschen." Denne elektroninteraktion fører til den såkaldte Kondo-effekt. Her, et kvantespin i materialet er afskærmet af elektroner, der omgiver det, så spin ikke længere har nogen effekt på resten af ​​materialet. "'

Hvis der kun er relativt få frie elektroner, som det er tilfældet i en halvmetal, så er Kondo -effekten ustabil. Dette kan være årsagen til materialets kvantekritiske adfærd:systemet svinger mellem en tilstand med og en tilstand uden Kondo -effekten, og dette har effekten af ​​en faseovergang ved nul temperatur.

Kvantesvingninger kan føre til Weyl -partikler

Hovedårsagen til, at resultatet er af så central betydning, er, at det mistænkes for at være tæt forbundet med fænomenet "Weyl fermioner". I faste stoffer, Weyl fermioner kan forekomme i form af kvasipartikler - dvs. som kollektive ophidselser som bølger i en dam. Ifølge teoretiske forudsigelser, sådanne Weyl fermioner bør eksistere i dette materiale, "siger teoretisk fysiker Qimiao Si fra Rice University. Eksperimentelt bevis, imidlertid, er endnu ikke fundet. "Vi formoder, at den kvantekritikalitet, vi observerede, favoriserer forekomsten af ​​sådanne Weyl -fermioner, "siger Silke Bühler-Paschen." Kvantekritiske udsving kan derfor have en stabiliserende effekt på Weyl fermioner, på samme måde som kvantekritiske udsving i højtemperatur-superledere, der holder superledende Cooper-par sammen. Dette er et meget grundlæggende spørgsmål, der er genstand for meget forskning rundt om i verden, og vi har opdaget et varmt nyt bly her. "

Det forekommer os, at visse kvanteeffekter - nemlig kvantekritiske udsving, Kondo -effekten og Weyl fermioner - er tæt sammenflettet i det nyopdagede materiale og, sammen, give anledning til eksotiske Weyl-Kondo-stater. Disse er 'topologiske' tilstande med stor stabilitet, der, i modsætning til andre kvantetilstande, kan ikke let ødelægges af eksterne forstyrrelser. Dette gør dem særligt interessante for kvantecomputere.

For at kontrollere alt dette, yderligere målinger under forskellige ydre forhold skal udføres. Teamet forventer, at et lignende samspil mellem de forskellige kvanteeffekter også skal findes i andre materialer. "Dette kan føre til etablering af et designkoncept, hvor sådanne materialer specifikt kan forbedres, skræddersyet og brugt til betonapplikationer, "siger Bühler-Paschen.