Elektroner i en krystal har vist sig at udvise forbundne og knudrede kvantedrejninger

Efterhånden som fysikere dykker dybere ned i kvanteriget, opdager de en uendeligt lille verden sammensat af en mærkelig og overraskende række af links, knob og snoninger. Nogle kvantematerialer udviser magnetiske hvirvler kaldet skyrmioner - unikke konfigurationer beskrevet som "subatomære orkaner." Andre er vært for en form for superledning, der snoer sig til hvirvler.

Nu i en artikel offentliggjort i Nature et Princeton-ledet hold af fysikere har opdaget, at elektroner i kvantestof kan forbindes med hinanden på mærkelige nye måder. Værket samler ideer inden for tre områder af videnskaben – kondenseret stoffysik, topologi og knudeteori – på en ny måde, hvilket rejser uventede spørgsmål om elektroniske systemers kvanteegenskaber.

Topologi er den gren af ​​teoretisk matematik, der studerer geometriske egenskaber, der kan deformeres, men ikke iboende ændres. Topologiske kvantetilstande kom først til offentlighedens opmærksomhed i 2016, da tre videnskabsmænd, inklusive Duncan Haldane, som er Princetons Thomas D. Jones professor i matematisk fysik og professor ved Sherman Fairchild University i fysik, blev tildelt Nobelprisen for deres teoretiske forudsigelse af topologi i elektroniske materialer.

Siden dengang har forskere søgt at udvide dette forskningsområde for at skabe en dybere forståelse af kvantemekanik, såsom inden for "kvantetopologi", som søger at forklare en elektrons tilstand som beskrevet af en egenskab kaldet dens bølgefunktion. Dette var katalysatoren, der førte til den nuværende forskning, sagde M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton University og seniorforfatter af undersøgelsen.

"Vi studerer egenskaber relateret til formen af ​​elektronernes bølgefunktioner," sagde Hasan. "Og vi har nu taget feltet til en ny grænse."

Den væsentlige byggesten i denne nye grænse er en kvantemekanisk struktur kendt som en Weyl-løkke, som involverer vikling af masseløse elektronbølgefunktioner i en krystal. I tidligere banebrydende arbejde, udgivet i Science i 2019 blev de masseløse Weyl-løkker opdaget i en forbindelse bestående af kobolt, mangan og gallium med den kemiske formel Co₂ MnGa. Denne forskning blev ledet af Hasan og omfattede mange af forfatterne til den nye undersøgelse. På det tidspunkt forstod de, at de masseløse Weyl-løkker producerer eksotisk adfærd under påførte elektriske og magnetiske felter. Disse adfærd varede op til stuetemperatur.

I sig selv er en Weyl-løkke et eksempel på den slags kvantebølgefunktionsvikling, der allerede er velkendt. "Tidligere eksempler på topologi i fysik involverede ofte viklingen af ​​kvantemekaniske bølgefunktioner," sagde Hasan, der ledede den nuværende forskning. "Disse har været fokus for fysiksamfundet i mindst det sidste årti." Disse ideer stammer fra holdets tidligere værker om krystaller lavet af rhodium og silicium (RhSi), samt materialer kaldet Chern-magneter lavet af grundstofferne terbium, magnesium og tin (TbMn₆ Sn₆ ). Begge disse opdagelser blev ledet af professor Hasans gruppe og rapporteret i Nature i 2019 og derefter i Nature i 2020.

Imidlertid er tilfældet med Co₂ MnGa viste sig at være forskellig fra bølgefunktionsvikling, der betragtes i konventionelle topologiske teorier. "Her har vi i stedet forbundet sløjfer - vores nyopdagede knudrede topologi er af en anden karakter og giver anledning til forskellige matematiske koblingstal," sagde Tyler Cochran, en kandidatstuderende ved Princetons Fysikafdeling og medforfatter af det nye studie.

Co₂ MnGa-materialer blev dyrket af professor Claudia Felser og hendes team ved Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids i Tyskland.

En væsentlig indsigt kom, da Princeton-holdet beregnede og forstod, at visse kvantematerialer såsom Co₂ MnGa kunne være vært for flere Weyl-loops på samme tid. "Når flere Weyl-løkker eksisterer sideløbende, bliver det naturligt at spørge, om de kan forbindes og knyttes på bestemte måder," sagde Hasan.

Denne erkendelse fra Hasans team udløste grundlæggende spørgsmål om forbundne Weyl-sløjfer og samlede et team af eksperter fra hele verden inden for fotoemissionsspektroskopi, matematisk topologi, kvantematerialesyntese og første principper kvanteberegninger for at få en dybere forståelse af linktopologi og knude i kvantestof. .

For at observere linket eksperimentelt samarbejdede det internationale hold i mere end fem år for at udvide deres tidligere værker om topologiske magneter. Holdet udførte avancerede fotoemissionsspektroskopiske eksperimenter på banebrydende synkrotronstrålingsfaciliteter i USA, Schweiz, Japan og Sverige.

"Det viste sig at være et fascinerende puslespil, der holdt os hooked i et stykke tid," sagde Ilya Belopolski, hovedforfatter af undersøgelsen, tidligere kandidatstuderende i Hasans laboratorium ved Princeton University og nu postdoc-forsker ved RIKEN Center for Emergent Matter Videnskab nær Tokyo, Japan. "At optrevlen af ​​forviklingerne i selve denne omfattende forbundne kvantestruktur krævede mere end tre års højpræcisions- og ultrahøjopløsningsmålinger på verdens førende spektroskopiske faciliteter."

Analyse af de eksperimentelle data afslørede et kontraintuitivt objekt foldet ind i sig selv og viklet hen over en højere dimensionel torus. "Forståelse af objektets struktur krævede en ny bro mellem kvantemekanik, matematisk topologi og knudeteori," sagde Guoqing Chang, en forfatter til undersøgelsen, som nu er assisterende professor i fysik ved Nanyang Technological University i Singapore. Mens en tidligere postdoc-forsker arbejdede med Hasan ved Princeton, ledede Chang en af ​​de tidlige teoretiske undersøgelser af linktopologi i 2017 i et banebrydende arbejde i Physical Review Letters .

Faktisk fandt forskerholdet ud af, at eksisterende kvanteteori for materialer ikke var i stand til tilstrækkeligt at forklare fremkomsten af ​​denne struktur. Men knudeteori, erkendte de, kunne have nogle spor.

"Vi kom til at indse, at nogle aspekter af knudeteori er meget magtfulde til at forklare kvanteegenskaber af topologiske materialer, som ikke blev forstået før," sagde Hasan. "Dette er det første eksempel, vi kender til, hvor knudeteori er blevet anvendt til at forstå topologiske magneters opførsel. Og det er meget spændende."

Resultaterne fortsætter og forlænger den årtier lange samtale mellem fysik og topologi, denne gang med nye matematiske ideer til at forklare eksperimenter med kvanteferromagneter. "Historisk set opstod nogle af de vigtigste videnskabelige opdagelser, da mennesker lagde mærke til nye forbindelser mellem matematik og naturfænomener. Det er altid spændende at finde uventede eksempler på subtil matematik i vores eksperimenter," sagde Hasan. "Endnu mere var det interessant, at den matematiske forbindelse var inden for topologi, som er blevet ved med at dukke op igen og igen i forskellige afskygninger i studiet af kvantematerialer."

Forskerne har til hensigt at udvide deres forskning i flere retninger. Selvom Hasan og hans team fokuserede deres indsats på topologiske magneters opførsel, hævder de, at teorien har potentialet til at hjælpe med at forklare anden kvanteadfærd. "Vi mener, at knudeteori også kan anvendes på mange andre topologiske ledere, superledere, qubits og mange andre ting," sagde han.

Og selvom forskerne ikke tænkte på praktiske anvendelser - "Vi var involveret i grundlæggende forskning," understregede Hasan - kunne deres indsigter hjælpe med udviklingen af ​​kvanteberegning, især i udviklingen af ​​nye typer topologiske qubits. + Udforsk yderligere

Fremskridt og udsigter i magnetiske topologiske materialer