Topologisen tilan kytkentä päälle ja pois

Ensimmäistä kertaa yhdysvaltalaiset ja eurooppalaiset fyysikot ovat löytäneet tavan kytkeä kvanttimateriaalin topologinen tila päälle ja pois.

Koska topologiset tilat ovat erittäin vakaita ja niissä on muuttumattomia ominaisuuksia, joita ei voida poistaa, topologisilla tiloilla on tärkeä rooli materiaalitutkimuksessa ja kvanttilaskennassa.

Tutkimustyössään Rice Universityn, Wienin teknillisen yliopiston (TU Wien), Los Alamos National Laboratoryn ja Radboudin yliopiston tutkijat kuvasivat menetelmäänsä käyttää magneettikenttää topologisen tilan vaihtamiseksi vahvasti korreloivassa metallissa.

"Topologiset ominaisuudet löytyvät yleensä eristemateriaaleista, joissa on heikko elektronikorrelaatio", sanoo fyysikko Qimiao Si. "Tutkimamme materiaali on metallia ja korreloi vahvasti."

Vahvasti korreloituvissa kvanttimateriaaleissa miljardien ja miljardien elektronien vuorovaikutus aiheuttaa kollektiivisia käyttäytymismalleja, kuten epätavanomaista suprajohtavuutta tai elektroneja, jotka käyttäytyvät ikään kuin niiden normaalimassa olisi yli tuhat kertaa suurempi.

Teoreettinen fyysikko Si on tehnyt pitkään yhteistyötä TU Wienin Silke Bühler-Paschenin kanssa. Sin ja Bühler-Paschenin tutkimusryhmät ovat tehneet aiemmin merkittäviä löytöjä topologisista tiloista vahvasti korreloiduissa kvanttimateriaalissa.

Si:n teoreettinen ryhmä löysi vuoden 2017 lopulla metallisen topologisen tilan, jonka aiheutti vahvan korrelaatiofysiikan perimmäisen ilmiön, nimeltään Kondo-ilmiö. Bühler-Paschenin kokeellinen ryhmä havaitsi tilan ceriumista, vismutista ja palladiumista tehdyssä komposiittimateriaalissa. Nämä kaksi ryhmää nimesivät voimakkaasti korreloivan aineen tilan Weyl-Kondo-puolimetalliksi.

Uudessa tutkimuksessa Bühler-Paschenin ryhmä havaitsi, että pienet epäpuhtaudet tai ulkoiset häiriöt eivät aiheuttaneet dramaattista muutosta materiaalin topologisissa ominaisuuksissa, mutta laboratoriomittakaavan ulkoisen magneettikentän käyttö saattoi muuttaa.

"Vahvat elektronikorrelaatiot tekevät Weyl-Kondo-puolimetallista erittäin herkän ulkoisille koettimille, kuten magneettikentälle", sanoo Si. ”Elektronit eivät koe ulkoisen magneettikentän vaikutusta yksitellen. Sen sijaan ne järjestäytyvät kollektiivisesti, mikä vahvistaa huomattavasti materiaalien vastetta ulkoiseen magneettikenttään.

Si sanoi, että topologisen tilan metallinen luonne soveltuu monipuolisiin ohjauskeinoihin. Weyl-Kondo-puolimetallissa on relativistisen aaltoyhtälön kuvaamia varauksenkuljettajia, jotka sanelevat, että niissä on kahta erilaista vastakkaista kiraalisuutta. Kuten aineen ja antiaineen hiukkaset, Weyl-fermionit, joilla on vastakkainen kiraalisuus, tuhoavat toisensa, jos ne törmäävät.

Ilman elektronikorrelaatioita olisi mahdotonta luoda riittävän voimakasta magneettikenttää puskea yhteen vastakkaisen kiraalisuuden Weyl-fermioneja, Si jatkaa. Mutta vahvat korrelaatiot antoivat Bühler-Paschenin tiimille mahdollisuuden käyttää ulkoista kenttää pakottaakseen Weyl-fermionit tuhoamaan toisensa, mikä sammutti topologisen tilan.

"Voit jopa saada ne katoamaan kokonaan tietyssä vaiheessa", Bühler-Paschen iloitsee. "Joten meillä on vakaat ja kestävät ominaisuudet, jotka voit valikoivasti kytkeä päälle ja pois päältä." Vaihdettavia topologisia tiloja voitaisiin mahdollisesti käyttää anturiteknologiassa, hän toteaa.

Si sanoi, että vahvat korrelaatiot saavat Weyl-fermionit pariutumaan mikroaaltoalueen säteilyn kanssa, mikä on erityisen tärkeää monissa teknisissä sovelluksissa. Hän sanoi, että tekniikkaa voidaan käyttää myös "täysin uusiin, eksoottisempiin elektroniikkasovelluksiin", mukaan lukien kvanttitietokoneet.

Aiheesta aiemmin:

Parhaat kahdesta maailmasta: Magnetismi ja Weyl -puolimetallit