Cuando D se convierte en F, la materia cuántica es A

Jun 27, 2023

Físicos de la Universidad Rice han demostrado que los estados topológicos inmutables, muy buscados para la computación cuántica, pueden entrelazarse con otros estados cuánticos manipulables en algunos materiales.

"Lo sorprendente que encontramos es que en un tipo particular de red cristalina, donde los electrones quedan atrapados, el comportamiento fuertemente acoplado de los electrones en los orbitales atómicos d en realidad actúa como los sistemas orbitales f de algunos fermiones pesados", dijo Qimiao Si, coautor del estudio. autor de un estudio sobre la investigación en Science Advances.

El inesperado hallazgo proporciona un puente entre subcampos de la física de la materia condensada que se han centrado en propiedades emergentes diferentes de los materiales cuánticos. En materiales topológicos, por ejemplo, los patrones de entrelazamiento cuántico producen estados “protegidos” e inmutables que podrían usarse para la computación cuántica y la espintrónica. En materiales fuertemente correlacionados, el entrelazamiento de miles de millones de electrones da lugar a comportamientos como la superconductividad no convencional y las continuas fluctuaciones magnéticas en los líquidos de espín cuántico.

En el estudio, Si y el coautor Haoyu Hu, un ex estudiante de posgrado de su grupo de investigación, construyeron y probaron un modelo cuántico para explorar el acoplamiento de electrones en una disposición reticular "frustrada" como las que se encuentran en metales y semimetales que presentan "bandas planas". ”, estados en los que los electrones se atascan y los efectos fuertemente correlacionados se amplifican.

La investigación es parte de un esfuerzo continuo de Si, quien ganó una prestigiosa beca docente Vannevar Bush del Departamento de Defensa en julio para buscar la validación de un marco teórico para controlar los estados topológicos de la materia.

En el estudio, Si y Hu demostraron que los electrones de los orbitales atómicos d podrían convertirse en parte de orbitales moleculares más grandes que son compartidos por varios átomos en la red. La investigación también demostró que los electrones en los orbitales moleculares podrían entrelazarse con otros electrones frustrados, produciendo efectos fuertemente correlacionados que eran muy familiares para Si, quien ha pasado años estudiando materiales fermónicos pesados.

"Estos son sistemas completamente de electrones d", dijo Si. “En el mundo de los electrones d, es como si tuvieras una autopista con múltiples carriles. En el mundo de los electrones f, podemos pensar en electrones que se mueven en dos niveles. Una es como la autopista de los electrones d y la otra es como un camino de tierra, donde el movimiento es muy lento”.

Si dijo que los sistemas de electrones f albergan ejemplos muy claros de física fuertemente correlacionada, pero no son prácticos para el uso diario.

"Este camino de tierra está muy lejos de la autopista", dijo. “La influencia de la carretera es muy pequeña, lo que se traduce en una escala de energía diminuta y una física de temperatura muy baja. Lo que significa que es necesario alcanzar temperaturas de alrededor de 10 Kelvin para ver siquiera los efectos del acoplamiento.

“Ese no es el caso en el mundo de los electrones d. En la autopista de varios carriles las cosas se acoplan entre sí de forma bastante eficiente”.

Y esa eficiencia de acoplamiento persiste, incluso cuando hay una banda plana. Si lo comparó con uno de los carriles de la autopista que se vuelve tan ineficiente y lento como el camino de tierra con electrones f.

"Incluso cuando se ha convertido en un camino de tierra, todavía comparte estatus con los otros carriles, porque todos provienen del orbital d", dijo Si. “Es efectivamente un camino de tierra, pero está mucho más fuertemente acoplado, y eso se traduce en física a temperaturas mucho más altas.

“Eso significa que puedo tener toda la exquisita física basada en electrones f, para la cual tengo modelos bien definidos y mucha intuición gracias a años de estudio, pero en lugar de tener que llegar a 10 Kelvin, potencialmente puedo trabajar a, digamos, 200 Kelvin, o posiblemente incluso 300 Kelvin, o temperatura ambiente. Por lo tanto, desde una perspectiva de funcionalidad, es extremadamente prometedor”.

Si es profesor de Física y Astronomía Harry C. y Olga K. Wiess en Rice, miembro de la Iniciativa Cuántica de Rice y director del Centro Rice de Materiales Cuánticos (RCQM).

La investigación fue financiada por el Departamento de Energía (SC0018197), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-21-1-0356), la Fundación Welch (C-1411) y recibió apoyo a través de instalaciones computacionales y de visitas del National Science. Fundación (1607611, 0216467, 1338099, DMR160057).

“Bandas topológicas planas y anchas acopladas: formación y destrucción de cuasipartículas” | Avances científicos | DOI: 10.1126/sciadv.adg0028

Autores: Haoyu Hu y Qimiao Si

https://doi.org/10.1126/sciadv.adg0028

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/07/0724_BUSH_qmsi-lg.jpg TÍTULO: El físico cuántico Qimiao Si es profesor Harry C. y Olga K. Wiess de Física y Astronomía de la Universidad Rice y director de el Centro Rice de Materiales Cuánticos. (Foto de Jeff Fitlow/Universidad Rice)

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Ubicada en un campus boscoso de 300 acres en Houston, la Universidad Rice está constantemente clasificada entre las 20 mejores universidades del país según US News & World Report. Rice cuenta con escuelas muy respetadas de Arquitectura, Negocios, Estudios Continuos, Ingeniería, Humanidades, Música, Ciencias Naturales y Ciencias Sociales y es sede del Instituto Baker de Políticas Públicas. Con 4240 estudiantes universitarios y 3972 estudiantes de posgrado, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es de poco menos de 6 a 1. Su sistema de colegios residenciales construye comunidades muy unidas y amistades para toda la vida, solo una de las razones por las que Rice ocupa el puesto número 1 por su gran interacción entre raza y clase y el número 4 por calidad de vida según Princeton Review. Rice también está calificada como la de mejor valor entre las universidades privadas por Kiplinger's Personal Finance.