Физики из Университета Райса, ведущие исследования и сотрудничающие с физиками из Университета Стоуни Брук, австрийского Венского технологического университета (TU Wien), Национальной лаборатории Лос-Аламоса, Международного физического центра Доностиа в Испании и Института химической физики твердых тел Макса Планка в Германии, представили свой новый принцип проектирования в опубликованном исследовании. онлайн сегодня в Физика природы.

В команду входят ученые из Райса, ТУ Вин и Лос-Аламоса, которые обнаружили первый сильно коррелированный топологический полуметалл в 2017 году. Эта система и другие, которые стремится идентифицировать новый принцип проектирования, широко востребованы индустрией квантовых вычислений, поскольку топологические состояния обладают неизменяемыми характеристиками, которые не могут быть стерты или потеряны в результате квантовой декогеренции.

"Ландшафт сильно коррелированной топологической материи одновременно велик и в значительной степени неисследован", - сказал соавтор исследования Цимяо Си, Гарри К. Райс и Ольга К. Висс, профессор физики и астрономии. "Мы ожидаем, что эта работа поможет направить его исследование".

В 2017 году исследовательская группа Si в Райсе провела модельное исследование и обнаружила удивительное состояние материи, которое имело как топологический характер, так и квинтэссенцию примера физики сильной корреляции, называемой эффектом Кондо, взаимодействием между магнитными моментами коррелированных электронов, ограниченных атомами в металле, и коллективными спинами атомов в металле. миллиарды проходящих электронов проводимости. Одновременно экспериментальная группа, возглавляемая Силке Пашен из TU Wien, представила новый материал и сообщила, что он обладает теми же свойствами, что и в теоретическом решении. Две команды назвали сильно коррелированное состояние вещества полуметаллом Вейля-Кондо. Си сказал, что кристаллическая симметрия сыграла важную роль в исследованиях, но анализ остался на уровне доказательства принципа.

"Наша работа 2017 года была сосредоточена на своего рода атоме водорода кристаллической симметрии", - сказал Си, физик-теоретик, который провел более двух десятилетий, изучая сильно коррелированные материалы, такие как тяжелые фермионы и нетрадиционные сверхпроводники. "Но это заложило основу для разработки новой коррелированной металлической топологии".

Сильно коррелированные квантовые материалы - это те, в которых взаимодействия миллиардов и миллиардов электронов приводят к коллективному поведению, такому как нетрадиционная сверхпроводимость или электроны, которые ведут себя так, как будто их масса более чем в 1000 раз превышает их нормальную массу. Хотя физики изучали топологические материалы в течение десятилетий, они только недавно начали исследовать топологические металлы, которые обладают сильно коррелированными взаимодействиями.

"Разработка материалов в целом очень сложна, а разработка сильно коррелированных материалов еще сложнее", - сказал Си, член инициативы Rice Quantum Initiative и директор Центра квантовых материалов Райса (RCQM).

Дженнифер Кано из Si и Stony Brook возглавляла группу теоретиков, которые разработали структуру для определения перспективных материалов-кандидатов путем перекрестных ссылок на информацию в базе данных известных материалов с результатами теоретических расчетов, основанных на реалистичных кристаллических структурах. Используя этот метод, группа определила кристаллическую структуру и элементный состав трех материалов, которые были вероятными кандидатами на размещение топологических состояний, возникающих в результате эффекта Кондо.

"С тех пор как мы разработали теорию топологической квантовой химии, давней целью было применить формализм к сильно коррелированным материалам", - сказал Кано, доцент физики и астрономии в Стоуни Брук и научный сотрудник Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрон. "Наша работа - первый шаг в этом направлении".

Си сказал, что теоретическая основа прогнозирования возникла из осознания, которое он и Кано получили после импровизированной дискуссионной сессии, которую они организовали между своими соответствующими рабочими группами в Физическом центре Аспена в 2018 году.

"Мы постулировали, что сильно коррелированные возбуждения все еще подчиняются требованиям симметрии", - сказал он. "Благодаря этому я могу многое сказать о топологии системы, не прибегая к вычислениям ab initio, которые часто требуются, но особенно сложны при изучении сильно коррелированных материалов".

Чтобы проверить гипотезу, теоретики из Райс и Стоуни Брук провели модельные исследования реалистичных кристаллических симметрий. Во время пандемии теоретические группы в Техасе и Нью-Йорке провели обширные виртуальные дискуссии с экспериментальной группой Пашена в TU Wien. В сотрудничестве был разработан принцип проектирования для коррелированных топологических полуметаллических материалов с той же симметрией, что и в исследуемой модели. Полезность принципа проектирования была продемонстрирована командой Пашена, которая изготовила одно из трех идентифицированных соединений, протестировала его и убедилась, что оно обладает предсказанными свойствами.

"Все указывает на то, что мы нашли надежный способ идентификации материалов, обладающих нужными нам характеристиками", - сказал Си.

Соавторами исследования являются Лей Чен, Чандан Сетти и Хаоюй Ху из Райс; выпускница Райс Сара Грефе '17 из Лос-Аламосской национальной лаборатории; Лукас Фишер, Синьлин Янь, Гаку Эгути и Андрей Прокофьев из ТУ Вена; и Майя Верньори из Института химической физики твердых тел Макса Планка в Дрездене, Германия и Международный физический центр Доностиа в Доностиа-Сан-Себастьян, Испания.

Исследование в Rice проводилось при поддержке Управления научных исследований ВВС (FA9550-21-1-0356 ), Национальный научный фонд (DMR-2220603, EIA-0216467, CNS-1338099, DMR-170109, PHY-1607611), Фонд Уэлча (C-1411) и РайсСовместно с университетскими сетевыми вычислительными мощностями и воспользовался гостеприимством Физического центра Аспена.