Quando D se transforma em F, a matéria quântica é A

Jun 27, 2023

Os físicos da Rice University mostraram que estados topológicos imutáveis, que são altamente procurados para a computação quântica, podem ser emaranhados com outros estados quânticos manipuláveis ​​em alguns materiais.

“A coisa surpreendente que descobrimos é que em um tipo particular de rede cristalina, onde os elétrons ficam presos, o comportamento fortemente acoplado dos elétrons nos orbitais atômicos d na verdade agem como os sistemas orbitais f de alguns férmions pesados”, disse Qimiao Si, co- autor de um estudo sobre a pesquisa em Science Advances.

A descoberta inesperada fornece uma ponte entre subcampos da física da matéria condensada que se concentraram em propriedades emergentes diferentes de materiais quânticos. Em materiais topológicos, por exemplo, padrões de emaranhamento quântico produzem estados “protegidos” e imutáveis ​​que poderiam ser usados ​​para computação quântica e spintrônica. Em materiais fortemente correlacionados, o emaranhado de bilhões e bilhões de elétrons dá origem a comportamentos como a supercondutividade não convencional e as flutuações magnéticas contínuas em líquidos de spin quântico.

No estudo, Si e o coautor Haoyu Hu, ex-aluno de pós-graduação de seu grupo de pesquisa, construíram e testaram um modelo quântico para explorar o acoplamento de elétrons em um arranjo de rede “frustrado”, como aqueles encontrados em metais e semimetais que apresentam “bandas planas”. ”, afirma onde os elétrons ficam presos e os efeitos fortemente correlacionados são amplificados.

A pesquisa faz parte de um esforço contínuo de Si, que ganhou uma prestigiada bolsa Vannevar Bush Faculdade do Departamento de Defesa em julho para buscar a validação de uma estrutura teórica para controlar estados topológicos da matéria.

No estudo, Si e Hu mostraram que os elétrons dos orbitais atômicos d poderiam se tornar parte de orbitais moleculares maiores que são compartilhados por vários átomos na rede. A pesquisa também mostrou que os elétrons em orbitais moleculares podem ficar emaranhados com outros elétrons frustrados, produzindo efeitos fortemente correlacionados que eram muito familiares a Si, que passou anos estudando materiais férmions pesados.

“Estes são sistemas completamente d-elétrons”, disse Si. “No mundo d-electron, é como se você tivesse uma rodovia com múltiplas faixas. No mundo dos elétrons f, você pode pensar em elétrons se movendo em duas camadas. Uma é como a rodovia d-elétron e a outra é como uma estrada de terra, onde o movimento é muito lento.”

Si disse que os sistemas de elétrons-f hospedam exemplos muito claros de física fortemente correlacionada, mas não são práticos para o uso diário.

“Esta estrada de terra fica muito longe da rodovia”, disse ele. “A influência da rodovia é muito pequena, o que se traduz em uma escala de energia diminuta e em temperaturas físicas muito baixas. O que significa que você precisa atingir temperaturas em torno de 10 Kelvin ou mais para ver os efeitos do acoplamento.

“Esse não é o caso no mundo d-elétron. As coisas se acoplam umas às outras de forma bastante eficiente na rodovia de múltiplas pistas.”

E essa eficiência de acoplamento persiste, mesmo quando existe uma banda plana. Si comparou isso a uma das pistas da rodovia se tornando tão ineficiente e lenta quanto a estrada de terra dos f-elétrons.

“Mesmo quando se transforma em uma estrada de terra, ainda compartilha status com as outras pistas, porque todas vieram do orbital d”, disse Si. “É efetivamente uma estrada de terra, mas está muito mais fortemente acoplada, e isso se traduz na física em temperaturas muito mais altas.

“Isso significa que posso ter toda a física requintada baseada em elétrons f, para a qual tenho modelos bem definidos e muita intuição de anos de estudo, mas em vez de ter que ir até 10 Kelvin, posso potencialmente trabalhar em, digamos, 200 Kelvin, ou possivelmente até 300 Kelvin, ou temperatura ambiente. Portanto, do ponto de vista da funcionalidade, é extremamente promissor.”

Si é professor de Física e Astronomia Harry C. e Olga K. Wiess na Rice, membro da Rice Quantum Initiative e diretor do Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

A pesquisa foi financiada pelo Departamento de Energia (SC0018197), pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-21-1-0356), pela Fundação Welch (C-1411) e recebeu apoio por meio de instalações computacionais e de visitação do National Science Fundação (1607611, 0216467, 1338099, DMR160057).