D가 F로 변하면 양자물질은 A가 된다

Jun 27, 2023

라이스 대학의 물리학자들은 양자 컴퓨팅에서 많이 요구되는 불변의 위상 상태가 일부 물질에서 조작 가능한 다른 양자 상태와 얽힐 수 있음을 보여주었습니다.

“우리가 발견한 놀라운 점은 전자가 고착되는 특정 종류의 결정 격자에서 d 원자 궤도에 있는 전자의 강하게 결합된 행동이 실제로 일부 무거운 페르미온의 f 궤도 시스템처럼 작용한다는 것입니다.”라고 Qimiao Si가 말했습니다. Science Advances 연구에 관한 연구의 저자입니다.

예상치 못한 발견은 양자 물질의 서로 다른 창발 특성에 초점을 맞춘 응집 물질 물리학의 하위 분야 사이에 다리를 제공합니다. 예를 들어 토폴로지 재료에서 양자 얽힘 패턴은 양자 컴퓨팅 및 스핀트로닉스에 사용할 수 있는 "보호된" 불변 상태를 생성합니다. 강하게 상관된 물질에서 수십억 개의 전자가 얽히면 비전통적인 초전도성과 양자 스핀 액체의 지속적인 자기 변동과 같은 거동이 발생합니다.

이 연구에서 Si와 그의 연구 그룹의 전 대학원생인 공동 저자 Haoyu Hu는 "플랫 밴드"를 특징으로 하는 금속 및 반금속에서 발견되는 것과 같은 "좌절된" 격자 배열에서 전자 결합을 탐색하기 위한 양자 모델을 구축하고 테스트했습니다. ,” 전자가 정체되어 강하게 상관된 효과가 증폭되는 상태입니다.

이 연구는 물질의 위상적 상태를 제어하기 위한 이론적 프레임워크의 검증을 추구하기 위해 지난 7월 국방부로부터 권위 있는 Vannevar Bush 교수 펠로우십을 받은 Si의 지속적인 노력의 일환입니다.

이번 연구에서 Si와 Hu는 d 원자 궤도의 전자가 격자의 여러 원자가 공유하는 더 큰 분자 궤도의 일부가 될 수 있음을 보여주었습니다. 이 연구는 또한 분자 궤도의 전자가 다른 좌절된 전자와 얽혀 무거운 페르미온 물질을 수년 동안 연구해 온 Si에게 매우 친숙한 강력한 상관 효과를 생성할 수 있음을 보여주었습니다.

"이것들은 완전히 d-전자 시스템입니다"라고 Si는 말했습니다. “d-전자 세계에서는 여러 차선이 있는 고속도로가 있는 것과 같습니다. f-전자 세계에서는 전자가 두 층으로 이동하는 것을 생각할 수 있습니다. 하나는 전자 고속도로와 같고, 다른 하나는 움직임이 매우 느린 비포장 도로와 같습니다.”

Si는 f-전자 시스템이 강하게 상관된 물리학의 매우 명확한 예를 제공하지만 일상적인 사용에는 실용적이지 않다고 말했습니다.

"이 비포장 도로는 고속도로에서 너무 멀리 떨어져 있습니다"라고 그는 말했습니다. “고속도로의 영향은 매우 작습니다. 이는 미세한 에너지 규모와 매우 낮은 온도 물리학으로 해석됩니다. 즉, 결합 효과를 확인하려면 약 10켈빈 정도의 온도로 이동해야 합니다.

“d-전자 세계에서는 그렇지 않습니다. 다차선 고속도로에서는 상황이 매우 효율적으로 서로 결합됩니다.”

그리고 그 결합 효율은 플랫 밴드가 있는 경우에도 지속됩니다. Si는 이를 f-전자 비포장 도로만큼 비효율적이고 느려지는 고속도로 차선 중 하나에 비유했습니다.

Si는 "비포장 도로로 사라져도 다른 차선과 상태를 공유합니다. 왜냐하면 모두 d 궤도에서 왔기 때문입니다."라고 Si는 말했습니다. “이것은 사실상 비포장 도로이지만 훨씬 더 강하게 결합되어 있으며 이는 훨씬 더 높은 온도에서 물리학으로 해석됩니다.

“이는 내가 잘 정의된 모델과 수년간의 연구를 통해 얻은 많은 직관을 바탕으로 절묘한 f-전자 기반 물리학을 모두 가질 수 있다는 것을 의미합니다. 예를 들어 200켈빈, 어쩌면 300켈빈, 또는 실온에서요. 따라서 기능적 관점에서 보면 매우 유망한 제품입니다.”

Si는 Rice의 물리학 및 천문학 교수이자 Rice Quantum Initiative의 회원이자 Rice Center for Quantum Materials(RCQM)의 소장입니다.

이 연구는 에너지부(SC0018197), 공군 과학연구실(FA9550-21-1-0356), 웰치 재단(C-1411)의 자금 지원을 받았으며 국립 과학부의 컴퓨터 및 방문 시설을 통해 지원을 받았습니다. 재단(1607611, 0216467, 1338099, DMR160057).