Uusi kvanttitila voisi vahvistaa tulevaisuuden teknologioita

Tutkijat ovat löytäneet uuden aineen kvanttiolomuodon, joka yhdistää kaksi merkittävää fysiikan aluetta ja voi johtaa laskennan, tunnistuksen ja materiaalitieteen edistysaskeliin.

Rice-yliopiston Qimiao Si:n johtama Nature Physics -lehdessä julkaistu tutkimus yhdistää kvanttikriittisyyden, jossa elektronit vaihtelevat eri faasien välillä, ja elektronisen topologian, joka kuvaa elektronien aaltokäyttäytymiseen perustuvaa kvanttiorganisaation muotoa.

Tutkimusryhmä kehitti teoreettisen mallin, joka ennustaa elektronien käyttäytymistä sekä voimakkaiden vuorovaikutusten että topologisten vaikutusten kautta. Kvanttikriittisyyteen liittyy tyypillisesti elektronien vaihtelu eri järjestäytyneiden tilojen välillä, aivan kuten vesi jäätymisen tai kiehumisen partaalla. Topologia puolestaan koskee elektronien aaltoluonteen stabiileja "kiertymiä", jotka säilyvät, vaikka materiaalin rakenne muuttuisi.

Perinteisesti näitä kvantti-ilmiöitä tutkittiin erikseen mutta tutkimusryhmän tavoitteena oli kyseenalaistaa tämä pitkäaikainen erillisyys.

”Yhdistämällä nämä kentät pääsimme kartoittamattomalle alueelle”, sanoi Lei Chen, tutkimuksen toinen ensimmäinen kirjoittaja. ”Yllätyimme huomatessamme, että kvanttikriittisyys itsessään kykeni luomaan topologista käyttäytymistä, erityisesti ympäristössä, jossa on voimakkaita vuorovaikutuksia.”

Tutkimus ei pysähtynyt teoreettiselle tasolle. Wienin teknillisen yliopiston kokeelliset tutkijat, joita johti tutkimuksen toinen johtaja Silke Paschen, havaitsivat raskaassa fermionmateriaalissa käyttäytymistä, joka oli linjassa tutkimusryhmän teoreettisten ennusteiden kanssa. Tämä materiaali koostuu elektroneista, jotka käyttäytyvät ikään kuin ne olisivat paljon painavampia vuorovaikutusten vuoksi, osoittaen merkkejä uudesta topologisesta kvanttitilasta.

Kvanttikriittisyyden ja topologian välinen suhde voisi mullistaa kvanttiteknologiaa kehittämällä kestäviä ja erittäin herkkiä laitteita, jotka ovat elintärkeitä laskennassa, sensoritekniikassa ja pienen tehonkäytön elektroniikassa.

Topologiset materiaalit kestävät häiriöitä, kun taas kvanttikriittisyys lisää lomittumista, mikä tekee tästä hybriditilasta erityisen arvokkaan kvanttikäyttäytymisen hallinnassa. Molemmat vaikutukset liittyvät ilmiöihin, kuten suprajohtavuuteen ja äärimmäiseen herkkyyteen ulkoisille signaaleille.

Tämä löytö avaa uusia mahdollisuuksia kvanttimateriaalien suunnittelussa ja sillä on merkittäviä teknologisia vaikutuksia.

”Tulokset korjaavat tiiviin aineen fysiikan aukon osoittamalla, että vahvat elektronivuorovaikutukset voivat synnyttää topologisia tiloja sen sijaan, että ne tuhoaisivat niitä”, Si sanoi. ”Lisäksi ne paljastavat uuden kvanttitilan, jolla on huomattava käytännön merkitys.”

Aiheesta aiemmin:

Topologiset tilat ovat yleisempiä kuin on ajateltu

Topologisen tilan kytkentä päälle ja pois

Kvanttilämpöä ja kvanttilomittumista mittaillen