D が F に変わるとき、量子物質は A になります

Jun 27, 2023

ライス大学の物理学者らは、量子コンピューティングで非常に求められている不変のトポロジカル状態が、一部の材料では他の操作可能な量子状態と絡み合う可能性があることを示した。

「私たちが発見した驚くべきことは、電子が閉じ込められる特定の種類の結晶格子では、d 原子軌道内の電子の強く結合した挙動が、実際にはいくつかの重いフェルミオンの f 軌道系のように振る舞うことです」と、共同の Qimiao Si 氏は述べています。 『Science Advances』誌に掲載された研究に関する論文の著者。

この予期せぬ発見は、量子材料の異なる創発特性に焦点を当ててきた物性物理学のサブ分野間の架け橋となる。 たとえば、トポロジカル材料では、量子もつれのパターンによって、量子コンピューティングやスピントロニクスに使用できる「保護された」不変状態が生成されます。 強相関物質では、数十億の電子のもつれにより、型破りな超伝導や量子スピン液体の継続的な磁気変動などの挙動が引き起こされます。

この研究では、Si氏と共著者で彼の研究グループの元大学院生であるHaoyu Hu氏は、「フラットバンド」を特徴とする金属や半金属に見られるような「フラストレーションのある」格子配列における電子結合を調査するための量子モデルを構築してテストした。 」では、電子が滞留し、強相関効果が増幅される場所を示しています。

この研究は、物質のトポロジカル状態を制御するための理論的枠組みの検証を追求するために、7月に国防総省から名誉あるヴァネバー・ブッシュ教授フェローシップを獲得したSi氏による継続的な取り組みの一環である。

この研究で、SiとHuは、d原子軌道からの電子が、格子内のいくつかの原子によって共有されるより大きな分子軌道の一部になる可能性があることを示した。 この研究はまた、分子軌道内の電子が他のフラストレート電子と絡み合い、重いフェルミオン物質の研究に何年も費やしてきたSiにとってよく知られた強い相関効果を生み出す可能性があることも示した。

「これらは完全に d 電子系です」と Si 氏は言います。 「d-electron の世界では、複数の車線がある高速道路があるようなものです。 f-電子の世界では、電子が 2 つの層で移動していると考えることができます。 1つはd電子ハイウェイのようなもので、もう1つは未舗装の道路のようなもので、動きが非常に遅いです。」

Si氏は、f電子系には強相関物理学の非常にきれいな例があるが、日常使用には実用的ではないと述べた。

「この未舗装の道路は高速道路からかなり離れたところにあります」と彼は言いました。 「高速道路からの影響は非常に小さく、これは微細なエネルギースケールと非常に低温の物理学に相当します。 つまり、カップリングの影響を確認するには、約 10 ケルビン程度の温度にする必要があります。

「d電子の世界ではそんなことはありません。 そこの複数車線の高速道路では、物事が非常に効率的に相互に結合しています。」

そして、フラットバンドがある場合でも、その結合効率は維持されます。 Si 氏は、これを高速道路の車線の 1 つが f-electron 未舗装の道路と同じくらい非効率で遅くなっていることに例えました。

「未舗装の道路に消えていっても、他の車線と同じ地位を保っています。なぜなら、それらはすべてd軌道から来たからです」とSi氏は言いました。 「これは事実上未舗装の道路ですが、はるかに強く結合しており、それははるかに高い温度での物理学に変換されます。

「それは、私が長年の研究から明確に定義されたモデルと多くの直観を持っている、f電子ベースの精緻な物理学をすべて手に入れることができるということですが、10ケルビンまで上げる代わりに、潜在的に作業できる可能性があります」たとえば、200 ケルビン、場合によっては 300 ケルビン、または室温で。 したがって、機能の観点から見ると、非常に有望です。」

Si は、ライス大学の物理学および天文学のハリー C. ウィスとオルガ K. ウィスの教授であり、ライス量子イニシアチブのメンバーであり、ライス量子材料センター (RCQM) の所長です。

この研究は、エネルギー省 (SC0018197)、空軍科学研究局 (FA9550-21-1-0356)、ウェルチ財団 (C-1411) から資金提供され、国立科学研究所による計算施設および訪問施設を通じて支援を受けました。財団 (1607611、0216467、1338099、DMR160057)。