Fysikers demometode til design af topologiske metaller

Amerikanske og europæiske fysikere har demonstreret en ny metode til at forudsige, om metalliske forbindelser sandsynligvis vil være vært for topologiske tilstande, der opstår fra stærke elektroninteraktioner.

Fysikere fra Rice University, der leder forskningen og samarbejder med fysikere fra Stony Brook University, Østrigs Wiens teknologiske universitet (TU Wien), Los Alamos National Laboratory, Spaniens Donostia International Physics Center og Tysklands Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, afslørede deres nyt designprincip i en undersøgelse offentliggjort online i dag i Nature Physics .

Holdet omfatter forskere ved Rice, TU Wien og Los Alamos, som opdagede det første stærkt korrelerede topologiske semimetall i 2017. Dette system og andre, som det nye designprincip søger at identificere, søges bredt af kvantecomputerindustrien, fordi topologiske tilstande har uforanderlige egenskaber, som ikke kan ændres. blive slettet eller tabt til kvantedekohærens.

"Landskabet af stærkt korreleret topologisk stof er både stort og stort set uundersøgt," sagde undersøgelsens medforfatter Qimiao Si, Rice's Harry C. og Olga K. Wiess professor i fysik og astronomi. "Vi forventer, at dette arbejde vil hjælpe med at guide dens udforskning."

I 2017 gennemførte Sis forskergruppe på Rice en modelundersøgelse og fandt en overraskende tilstand af stof, der var vært for både topologisk karakter og et indbegrebet eksempel på stærkkorrelationsfysik kaldet Kondo-effekten, en interaktion mellem de magnetiske momenter af korrelerede elektroner begrænset til atomer i et metal og de kollektive spins af milliarder af passerende ledningselektroner. Samtidig introducerede et eksperimentelt hold ledet af TU Wiens Silke Paschen et nyt materiale og rapporterede, at det havde de samme egenskaber som dem i den teoretiske løsning. De to hold kaldte den stærkt korrelerede tilstand af stoffet et Weyl-Kondo semimetal. Si sagde, at krystallinsk symmetri spillede en vigtig rolle i undersøgelserne, men analysen forblev på proof-of-principle-niveauet.

"Vores 2017-arbejde fokuserede på en slags brintatom af krystallinsk symmetri," sagde Si, en teoretisk fysiker, som har brugt mere end to årtier på at studere stærkt korrelerede materialer som tunge fermioner og ukonventionelle superledere. "Men det satte scenen for at designe ny korreleret metallisk topologi."

Stærkt korrelerede kvantematerialer er dem, hvor vekselvirkningen mellem milliarder på milliarder af elektroner giver anledning til kollektiv adfærd som ukonventionel superledning eller elektroner, der opfører sig, som om de har mere end 1.000 gange deres normale masse. Selvom fysikere har studeret topologiske materialer i årtier, er de først for nylig begyndt at undersøge topologiske metaller, der er vært for stærkt korrelerede interaktioner.

"Materialdesign er generelt meget svært, og det er sværere at designe stærkt korrelerede materialer," sagde Si, medlem af Rice Quantum Initiative og direktør for Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

Si and Stony Brook's Jennifer Cano led a group of theorists that developed a framework for identifying promising candidate materials by cross-referencing information in a database of known materials with the output of theoretical calculations based on realistic crystal structures. Using the method, the group identified the crystal structure and elemental composition of three materials that were likely candidates for hosting topological states arising from the Kondo effect.

"Since we developed the theory of topological quantum chemistry, it has been a longstanding goal to apply the formalism to strongly correlated materials," said Cano, an assistant professor of physics and astronomy at Stony Brook and research scientist at the Flatiron Institute's Center for Computational Quantum Physics. "Our work is the first step in that direction."

Si said the predictive theoretical framework stemmed from a realization he and Cano had following an impromptu discussion session they organized between their respective working groups at the Aspen Center for Physics in 2018.

"What we postulated was that strongly correlated excitations are still subject to symmetry requirements," he said. "Because of that, I can say a lot about the topology of a system without resorting to ab initio calculations that are often required but are particularly challenging for studying strongly correlated materials."

To test the hypothesis, the theorists at Rice and Stony Brook carried out model studies for realistic crystalline symmetries. During the pandemic, the theoretical teams in Texas and New York had extensive virtual discussions with Paschen's experimental group at TU Wien. The collaboration developed the design principle for correlated topological-semimetal materials with the same symmetries as used in the model studied. The utility of the design principle was demonstrated by Paschen's team, which made one of the three identified compounds, tested it and verified that it hosted the predicted properties.

"All indications are that we have found a robust way to identify materials that have the features we want," Si said. + Udforsk yderligere

Interwoven:How charge and magnetism intertwine in kagome material