Physiker der Rice University haben in einer von Skimmion geleiteten Studie zwei Teilgebiete der Quantenphysik miteinander verbunden, indem sie gezeigt haben, dass bestimmte unveränderliche topologische Zustände, die für Quantencomputer von entscheidender Bedeutung sind, mit variablen Quantenzuständen in bestimmten Materialien verflochten sein können. Diese Entdeckung ermöglicht potenzielle Operationen bei deutlich höheren Temperaturen und bietet enorme funktionelle Aussichten.
Physiker der Rice University haben gezeigt, dass die im Quantencomputing so begehrten unveränderlichen topologischen Zustände mit anderen manipulierten Quantenzuständen in bestimmten Materialien verwickelt sein können.
„Das Überraschende, was wir herausgefunden haben, ist, dass sich in einem speziellen Gitter, in dem Elektronen gefangen sind, das stark gekoppelte Verhalten von Elektronen in d-Atomorbitalen tatsächlich wie die f-Orbitalsysteme einiger schwerer Fermionen verhält“, sagten die Autoren einer verwandten Studie in Science Advances.
Diese unerwartete Entdeckung schlägt eine Brücke zwischen Teilgebieten der Physik der kondensierten Materie, die sich auf verschiedene entstehende Eigenschaften von Quantenmaterialien konzentrieren. Beispielsweise erzeugen in topologischen Materialien quantenverschränkte Muster „geschützte“, unveränderliche Zustände, die im Quantencomputing und in der Spintronik verwendet werden können. Die Verschränkung von Milliarden Elektronen in stark korrelierten Materialien kann Verhaltensweisen wie unkonventionelle Supraleitung und anhaltende magnetische Fluktuationen in Quantenspinflüssigkeiten hervorrufen.
In der Studie bauten und testeten Shi Qimiao und Co-Autor Haoyu Hu, ein ehemaliger Doktorand seiner Forschungsgruppe, ein Quantenmodell, um die Elektronenkopplung in „frustrierten“ Gitteranordnungen zu untersuchen, wie sie in Metallen und Halbmetallen mit „Flachband“-Eigenschaften vorkommen, was darauf hindeutet, dass Elektronen stecken bleiben und starke Korrelationseffekte verstärkt werden.
Die Forschung ist Teil der laufenden Bemühungen von Skimmion, der im Juli mit dem prestigeträchtigen Vannevar Bush Faculty Fellowship des US-Verteidigungsministeriums ausgezeichnet wurde, zur Validierung theoretischer Rahmenbedingungen für die Steuerung topologischer Materiezustände.
In dieser Studie zeigten Shi Qimiao und Hu Haoyu, dass Elektronen aus d-Atomorbitalen Teil größerer Molekülorbitale werden können, die von mehreren Atomen im Kristallgitter geteilt werden. Die Forschung zeigt auch, dass sich Elektronen in Molekülorbitalen mit anderen frustrierten Elektronen verschränken können, was zu starken Korrelationseffekten führt, was Si, das seit vielen Jahren schwere Fermionmaterialien untersucht, sehr vertraut ist.
„Das sind vollständig d-elektronische Systeme“, sagte Schimiao. „In der Welt der D-Elektronen ist es so, als gäbe es eine mehrspurige Autobahn. In der Welt der F-Elektronen kann man sich Elektronen vorstellen, die sich in zwei Schichten bewegen. Die eine ist wie eine D-Elektronen-Autobahn und die andere wie eine unbefestigte Straße, die sich sehr langsam bewegt.“
Laut Si weisen f-elektronische Systeme sehr klare physikalische Beispiele für starke Korrelationen auf, sie sind jedoch nicht für den täglichen Gebrauch geeignet.
„Diese unbefestigte Straße ist zu weit von der Autobahn entfernt“, sagte er. „Autobahneffekte sind sehr klein, was winzige Energieskalen und sehr niedrige physikalische Temperaturen bedeutet. Das bedeutet, dass man Temperaturen um 10 Kelvin erreichen muss, um die Auswirkungen der Kopplung zu sehen. Das ist in der elektronischen Welt nicht der Fall. Auf mehrspurigen Autobahnen erfolgt die Kopplung sehr effizient.“
Selbst wenn das Frequenzband flach ist, bleibt die Kopplungseffizienz bestehen. Si verglich es damit, dass eine Spur einer Autobahn so ineffizient und langsam wird wie eine unbefestigte Straße.
„Obwohl es sich um eine unbefestigte Straße handelt, hat sie immer noch denselben Status wie die anderen Fahrspuren, da sie alle von der D-Strecke ausgehen“, sagte Si. „Eigentlich ist es eine unbefestigte Straße, aber sie ist stärker gekoppelt, und das schlägt sich in der Physik bei höheren Temperaturen nieder. Das bedeutet, dass ich die gesamte exquisite Physik auf der Grundlage von f-Elektronen nutzen kann, für die ich gut definierte Modelle und viel Intuition aus jahrelanger Forschung habe, aber anstatt auf 10 Kelvin umsteigen zu müssen, kann ich beispielsweise bei 200 Kelvin, vielleicht sogar 300 Kelvin oder Raumtemperatur arbeiten. Aus funktionaler Sicht ist es also sehr vielversprechend.“