Natuurkundigen van Rice University hebben in een onderzoek onder leiding van Skimmion twee deelgebieden van de kwantumfysica met elkaar verbonden door aan te tonen dat specifieke onveranderlijke topologische toestanden die cruciaal zijn voor kwantumcomputers kunnen worden verweven met variabele kwantumtoestanden in bepaalde materialen. Deze ontdekking maakt potentiële operaties bij aanzienlijk hogere temperaturen mogelijk, wat enorme functionele perspectieven biedt.
Natuurkundigen van de Rice University hebben aangetoond dat de onveranderlijke topologische toestanden waar in kwantumcomputers veel vraag naar is, verstrengeld kunnen zijn met andere gemanipuleerde kwantumtoestanden in bepaalde materialen.
"Het verrassende dat we ontdekten is dat in een speciaal rooster waar elektronen gevangen zitten, het sterk gekoppelde gedrag van elektronen in d-atoomorbitalen zich feitelijk gedraagt als de f-orbitale systemen van sommige zware fermionen", aldus de auteurs van een verwante studie in Science Advances.
Deze onverwachte ontdekking slaat een brug tussen deelgebieden van de fysica van de gecondenseerde materie die zich richten op verschillende opkomende eigenschappen van kwantummaterialen. In topologische materialen produceren kwantumverstrengelde patronen bijvoorbeeld ‘beschermde’, onveranderlijke toestanden die kunnen worden gebruikt in kwantumcomputers en spintronica. De verstrengeling van miljarden elektronen in sterk gecorreleerde materialen kan gedrag veroorzaken zoals onconventionele supergeleiding en aanhoudende magnetische fluctuaties in kwantumspinvloeistoffen.
In de studie bouwden en testten Shi Qimiao en co-auteur Haoyu Hu, een voormalige afgestudeerde student in zijn onderzoeksgroep, een kwantummodel om elektronenkoppeling te onderzoeken in 'gefrustreerde' roosterarrangementen, zoals die gevonden in metalen en halfmetalen met 'flat-band'-kenmerken, wat suggereert dat elektronen vastlopen en sterke correlatie-effecten worden versterkt.
Het onderzoek maakt deel uit van een voortdurende inspanning van Skimmion, die in juli de prestigieuze Vannevar Bush Faculty Fellowship van het Amerikaanse ministerie van Defensie ontving, om theoretische raamwerken voor het beheersen van topologische toestanden van materie te valideren.
In deze studie lieten Shi Qimiao en Hu Haoyu zien dat elektronen uit d-atoomorbitalen onderdeel kunnen worden van grotere moleculaire orbitalen die door meerdere atomen in het kristalrooster worden gedeeld. Het onderzoek toont ook aan dat elektronen in moleculaire orbitalen verstrengeld kunnen raken met andere gefrustreerde elektronen, waardoor sterke correlatie-effecten ontstaan, wat zeer bekend is bij Si, dat al jaren zware fermionmaterialen bestudeert.
"Dit zijn volledig d-elektronische systemen", zei Schimiao. "In de wereld van d-elektronen is het alsof er een snelweg met meerdere rijstroken is. In de wereld van f-elektronen kun je denken aan elektronen die in twee lagen bewegen. De ene is als een d-elektronensnelweg, en de andere is als een onverharde weg, die heel langzaam beweegt."
Si zegt dat f-elektronische systemen zeer duidelijke fysieke voorbeelden hebben van sterke correlaties, maar dat ze niet geschikt zijn voor dagelijks gebruik.
"Deze onverharde weg ligt te ver van de snelweg", zei hij. "Snelwegeffecten zijn erg klein, wat kleine energieschalen en zeer lage fysieke temperaturen betekent. Dat betekent dat je temperaturen rond de 10 Kelvin moet bereiken om de effecten van koppeling te zien. Dat is niet het geval in de elektronische wereld. Op snelwegen met meerdere rijstroken zijn de zaken zeer efficiënt gekoppeld."
Zelfs als de frequentieband vlak is, bestaat er nog steeds een koppelefficiëntie. Si vergeleek het met één rijstrook op een snelweg die net zo inefficiënt en langzaam wordt als een onverharde weg.
"Ook al is het een onverharde weg geworden, het deelt nog steeds de status met de andere rijstroken omdat ze allemaal van de D-baan komen", zei Si. "Het is eigenlijk een onverharde weg, maar het is meer gekoppeld, en dat vertaalt zich in natuurkunde bij hogere temperaturen. Dat betekent dat ik over alle voortreffelijke natuurkunde kan beschikken op basis van f-elektronen, waarvoor ik goed gedefinieerde modellen en veel intuïtie heb uit jarenlang onderzoek, maar in plaats van naar 10 Kelvin te moeten gaan, kan ik werken op bijvoorbeeld 200 Kelvin, misschien zelfs 300 Kelvin, of kamertemperatuur. Dus vanuit functioneel perspectief is het veelbelovend."