Amerikaanse en Europese natuurkundigen die op zoek waren naar een verklaring voor supergeleiding bij hoge temperaturen waren verrast toen hun theoretische model wees op het bestaan ​​van een nooit eerder vertoond materiaal in een ander domein van de natuurkunde:topologische kwantummaterialen.

In een nieuwe studie die deze week verschijnt in de Early Edition van de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), Theoretisch fysicus Qimiao Si van Rice University en collega's van het Rice Center for Quantum Materials in Houston en de Technische Universiteit van Wenen in Oostenrijk doen voorspellingen die experimentele natuurkundigen zouden kunnen helpen creëren wat de auteurs hebben bedacht als een "Weyl-Kondo semi-metaal, " een kwantummateriaal met een diverse verzameling eigenschappen die worden gezien in ongelijksoortige materialen zoals topologische isolatoren, zware fermionmetalen en hoge temperatuur supergeleiders.

Al deze materialen vallen onder de noemer "kwantummaterialen, " keramiek, gelaagde composieten en andere materialen waarvan het elektromagnetische gedrag niet kan worden verklaard door de klassieke fysica. In de woorden van de bekende wetenschapsschrijver Philip Ball:kwantummaterialen zijn die waarin "de kwantumaspecten zich hardnekkig laten gelden, en de enige manier om volledig te begrijpen hoe het materiaal zich gedraagt, is door het kwantum in het oog te houden."

Dit eigenaardige gedrag ontstaat alleen bij zeer koude temperaturen, waar ze niet kunnen worden gemaskeerd door de overweldigende krachten van thermische energie. De meest gevierde kwantummaterialen zijn de hogetemperatuur-supergeleiders die in de jaren tachtig werden ontdekt, zo genoemd vanwege hun vermogen om elektrische stroom zonder weerstand te geleiden bij temperaturen die ver boven die van traditionele supergeleiders liggen. Een ander klassiek voorbeeld zijn de zware fermionmaterialen die eind jaren zeventig werden ontdekt. In deze, elektronen lijken in feite honderden keren zwaarder te zijn dan normaal en, even ongewoon, de effectieve elektronenmassa lijkt sterk te variëren als de temperatuur verandert.

Een generatie theoretische natuurkundigen wijdde hun loopbaan aan het verklaren van de werking van kwantummaterialen. Si's werk richt zich op het collectieve gedrag dat ontstaat in elektronische materialen die een transformatie ondergaan van de ene kwantumtoestand naar de andere. Het is in de buurt van zulke punten van transformatie, of "kwantumkritische punten, " dat verschijnselen zoals supergeleiding bij hoge temperatuur optreden.

In 2001, Si en collega's boden een nieuwe theorie aan die uitlegde hoe elektronische fluctuaties tussen twee totaal verschillende kwantumtoestanden aanleiding geven tot dergelijk gedrag op kwantumkritieke punten. De theorie heeft Si en collega's in staat gesteld een groot aantal voorspellingen te doen over het kwantumgedrag dat zal optreden in bepaalde soorten materiaal als de materialen worden afgekoeld tot het kwantumkritieke punt. In 2014, Si werd aangeboord om het Rice Center for Quantum Materials (RCQM) te leiden, een universiteitsbrede inspanning die is gebaseerd op het werk in meer dan een dozijn Rice-groepen over de scholen voor natuurwetenschappen en techniek.

"We zijn absoluut gefascineerd door sterk gecorreleerde materialen, Si zei over zijn eigen groep. "Collectief gedrag zoals kwantumkritiek en supergeleiding bij hoge temperaturen hebben altijd in het middelpunt van onze aandacht gestaan.

"De afgelopen twee jaar verschillende experimentele groepen hebben niet-triviale topologie gerapporteerd in geleidende materialen in vaste toestand, maar het is een open vraag of er geleidende staten zijn die een niet-triviale topologie hebben en zijn, tegelijkertijd, sterk interactief. Dergelijke materialen zijn niet gerealiseerd, maar er is veel interesse om ze te zoeken."

In de PNAS studie, Si zei dat hij en postdoctoraal fellow Hsin-Hua Lai en afgestudeerde student Sarah Grefe met een reeks modellen werkten om vragen te onderzoeken met betrekking tot kwantumkritiek en supergeleiders bij hoge temperaturen.

"We kwamen zojuist een model tegen waarin, plotseling, we ontdekten dat de massa was gegaan van ongeveer 1, 000 keer de massa van een elektron tot nul, " zei Lai. Een kenmerkend kenmerk van "Weyl-fermionen, ongrijpbare kwantumdeeltjes voor het eerst voorgesteld door Hermann Weyl meer dan 80 jaar geleden, is dat ze massa nul hebben.

Experimentalisten hebben pas onlangs bewijs geleverd voor het bestaan ​​van geleidende materialen in vaste toestand die kwalificeren als het hosten van Weyl-fermionen. Deze materialen delen enkele kenmerken van topologische isolatoren, een soort kwantummateriaal dat internationale aandacht kreeg na de toekenning van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2016, maar zijn op andere manieren heel verschillend. traditioneel, topologische materialen zijn alleen gedefinieerd in isolatoren, en elektriciteit zou alleen op het oppervlak van de materialen stromen en niet door de bulk. De topologische geleiders, echter, stroom vervoeren in de bulk, dankzij de Weyl-fermionen.

"Deze topologische geleiders kunnen worden beschreven binnen het leerboekkader van onafhankelijke elektronen, " zei Grefe. "De centrale vraag, even uitdagend als fascinerend, is dit:wat gebeurt er als de elektroncorrelaties sterk zijn?"

Bij een nadere beschouwing van hun werk, Si, Lai en Grefe toonden aan dat hun nul-massa fermionen nauw verbonden zijn met zowel sterke elektronencorrelaties als niet-triviale topologie.

"We realiseerden ons al snel dat dit Weyl-fermionen zijn die afkomstig zijn van een typische sterke correlatiefysica, het Kondo-effect, "Zei Grefe. "We noemden deze toestand daarom een ​​Weyl-Kondo-halfmetaal."

Het Kondo-effect legt vast hoe een band van elektronen, die zo sterk met elkaar gecorreleerd zijn dat ze fungeren als gelokaliseerde spins, zich gedragen in een achtergrond van geleidingselektronen.

Samen met studieco-auteur Silke Paschen, een experimenteel fysicus aan de Technische Universiteit van Wenen, die zes maanden bij RCQM doorbracht als gasthoogleraar toen de ontdekking werd gedaan, Si, Lai en Grefe probeerden de unieke experimentele handtekeningen van het Weyl-Kondo-halfmetaal te identificeren.

"We ontdekten dat het Kondo-effect ervoor zorgt dat de Weyl-fermionen bewegen met een snelheid die verschillende ordes van grootte verschilt van het geval dat geen interactie heeft, Lai zei. "Hierdoor konden we voorspellen dat de elektronencorrelaties een bepaalde hoeveelheid in de temperatuurafhankelijkheid van de soortelijke warmte met een verbijsterende factor van een miljard zullen vergroten."

Si zei dat dit effect enorm is, zelfs volgens de standaard van sterk gecorreleerde elektronensystemen, en het werk wijst op een groter principe.

"Het Kondo-effect in dit soort materialen treedt op in de buurt van magnetische orde, Si zei. "Ons eerdere werk heeft aangetoond dat supergeleiding bij hoge temperaturen de neiging heeft zich te ontwikkelen in systemen op de rand van magnetische orde, en deze studie suggereert dat zich daar ook enkele sterk gecorreleerde topologische toestanden ontwikkelen.

"Dit kan heel goed een ontwerpprincipe vertegenwoordigen dat de zoektocht naar een grote verscheidenheid aan sterk gecorreleerde topologische toestanden zal leiden, " hij zei.