Beweeg over Godzilla vs. King Kong - dit is het crossover-evenement waar je op hebt gewacht. We zullen, tenminste als je een fysicus van de gecondenseerde materie bent. Onderzoekers van de Universiteit van Harvard hebben het eerste materiaal aangetoond dat zowel sterk gecorreleerde elektroneninteracties als topologische eigenschappen kan hebben. Niet helemaal zeker wat dat betekent? Maak je geen zorgen, we leiden je er doorheen. Het enige dat u nu moet weten, is dat deze ontdekking niet alleen de weg vrijmaakt voor stabielere kwantumcomputers, maar ook voor een geheel nieuw platform om de wilde wereld van exotische fysica te verkennen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurfysica .

Laten we beginnen met de basis. Topologische isolatoren zijn materialen die elektriciteit kunnen geleiden op hun oppervlak of rand, maar niet in het midden. Het vreemde van deze materialen is dat hoe je ze ook snijdt, het oppervlak zal altijd geleidend zijn en het midden altijd isolerend. Deze materialen bieden een speelterrein voor fundamentele fysica, maar zijn ook veelbelovend voor een aantal toepassingen in speciale soorten elektronica en quantum computing.

Sinds de ontdekking van topologische isolatoren, onderzoekers over de hele wereld hebben gewerkt aan het identificeren van materialen met deze krachtige eigenschappen.

"Een recente hausse in de fysica van de gecondenseerde materie is het gevolg van het ontdekken van materialen met topologisch beschermde eigenschappen, " zei Harris Pirie, een afgestudeerde student in de afdeling Natuurkunde en eerste auteur van het papier.

Een potentieel materiaal, samariumhexaboride, staat al meer dan tien jaar centraal in een fel debat onder fysici van de gecondenseerde materie. De centrale vraag:is het wel of niet een topologische isolator?

"In de afgelopen tien jaar er zijn een hoop papieren naar buiten gekomen die ja zeggen en er zijn een hoop papieren naar buiten gekomen die nee zeggen, "zei Pirie. "De kern van het probleem is dat de meeste topologische materialen geen sterk op elkaar inwerkende elektronen hebben, wat betekent dat de elektronen te snel bewegen om elkaar te voelen. Maar samarium hexaboride wel, wat betekent dat elektronen in dit materiaal voldoende vertragen om sterk te interageren. In dit rijk, de theorie wordt behoorlijk speculatief en het is onduidelijk of het mogelijk is dat materialen met sterk op elkaar inwerkende eigenschappen ook topologisch zijn. Als experimentatoren, we hebben grotendeels blind gewerkt met dit soort materialen."

Om het debat te beslechten en erachter te komen, voor eens en altijd, of het mogelijk is om zowel sterk op elkaar inwerkende als topologische eigenschappen te hebben, de onderzoekers moesten eerst een goed geordend stukje samariumhexaboride-oppervlak vinden om het experiment uit te voeren.

Het was geen gemakkelijke taak, overwegende dat het grootste deel van het materiaaloppervlak steil is, ongeordende puinhoop. De onderzoekers gebruikten ultrahoge precisie meetinstrumenten ontwikkeld in het lab van Jenny Hoffman, de Clowes Professor of Science en senior auteur van het artikel, het vinden van een geschikte, patch van samariumhexaboride op atomaire schaal.

Volgende, het team ging op zoek om te bepalen of het materiaal topologisch isolerend was door golven van elektronen door het materiaal te sturen en ze te verstrooien van atoomdefecten, zoals het laten vallen van een kiezelsteen in een vijver. Door de golven te observeren, de onderzoekers konden het momentum van de elektronen bepalen in relatie tot hun energie.

"We ontdekten dat het momentum van de elektronen recht evenredig is met hun energie, wat het rokende pistool is van een topologische isolator, "zei Pirie. "Het is echt opwindend om eindelijk dit kruispunt van op elkaar inwerkende fysica en topologische fysica te betreden. We weten niet wat we hier zullen aantreffen."

Als het gaat om kwantumcomputers, sterk interagerende topologische materialen kunnen qubits beschermen tegen het vergeten van hun kwantumtoestand, een proces dat decoherentie wordt genoemd.

"Als we de kwantuminformatie in een topologisch beschermde staat zouden kunnen coderen, het is minder gevoelig voor externe ruis die per ongeluk de qubit kan schakelen, " zei Hoffman. "Microsoft heeft al een groot team dat zich bezighoudt met topologische kwantumberekening in composietmaterialen en nanostructuren. Ons werk demonstreert een primeur in een enkel topologisch materiaal dat sterke elektroneninteracties gebruikt die uiteindelijk kunnen worden gebruikt voor topologische kwantumcomputers."

"De volgende stap zal zijn om de combinatie van topologisch beschermde kwantumtoestanden en sterke interacties te gebruiken om nieuwe kwantumtoestanden van materie te ontwikkelen, zoals topologische supergeleiders, " zei Dirk Morr, Professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Illinois in Chicago en de senior theoreticus op het papier. "Hun buitengewone eigenschappen zouden ongekende mogelijkheden kunnen openen voor de implementatie van topologische kwantumbits."

Dit onderzoek is mede geschreven door Yu Liu, Anjan Soumyanarayan, Pengcheng Chen, Yang Hij, M. M. Yee, P.F.S. Rosa, JD Thompson, Dae-Jeong Kim, Z. Fisk, Xiangfeng Wang, Johnpierre Paglione, en M.H. Hamidian.

De elektronische metingen aan Harvard en de kristalgroei van samariumhexaboride aan UC Irvine werden ondersteund door de National Science Foundation. De kristalgroei aan de Universiteit van Maryland werd ondersteund door de Gordon &Betty Moore Foundation. Magnetische metingen bij Los Alamos National Lab en theoretisch werk aan de Universiteit van Illinois werden ondersteund door het Department of Energy.