Een team onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft een zeldzaam kwantummateriaal gevonden waarin elektronen op gecoördineerde wijze bewegen. in wezen "dansen". Door het materiaal te persen ontstaat een elektronische bandstructuur die het toneel vormt voor exotische, nauwer gecorreleerd gedrag - vergelijkbaar met tango - tussen Dirac-elektronen, dat zijn vooral mobiele elektrische ladingsdragers die op een dag snellere transistors mogelijk kunnen maken. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"We hebben correlatie en topologie gecombineerd in één systeem, " zei co-hoofdonderzoeker Jong Mok Ok, die samen met hoofdonderzoeker Ho Nyung Lee van ORNL het onderzoek heeft opgezet. Topologie onderzoekt eigenschappen die behouden blijven, zelfs wanneer een geometrisch object vervorming ondergaat, zoals wanneer het wordt uitgerekt of geperst. "Het onderzoek zou onmisbaar kunnen blijken voor toekomstige informatie- en computertechnologieën, "Oké toegevoegd, een voormalig ORNL postdoctoraal onderzoeker.

Bij conventionele materialen, elektronen bewegen voorspelbaar (bijvoorbeeld lethargisch in isolatoren of energetisch in metalen). In kwantummaterialen waarin elektronen sterk met elkaar interageren, fysieke krachten zorgen ervoor dat de elektronen zich op onverwachte maar gecorreleerde manieren gedragen; de beweging van één elektron dwingt nabijgelegen elektronen om te reageren.

Om deze strakke tango in topologische kwantummaterialen te bestuderen, Ok leidde de synthese van een uiterst stabiele kristallijne dunne film van een overgangsmetaaloxide. Hij en collega's maakten de film met behulp van gepulseerde laserepitaxie en spanden deze om de lagen samen te drukken en een fase te stabiliseren die niet bestaat in het bulkkristal. De wetenschappers waren de eersten die deze fase stabiliseerden.

Met behulp van op theorie gebaseerde simulaties, co-hoofdonderzoeker Narayan Mohanta, een voormalig ORNL postdoctoraal onderzoeker, voorspelde de bandstructuur van het gespannen materiaal. "In de gespannen omgeving, de verbinding die we hebben onderzocht, strontiumniobaat, een perovskietoxide, verandert de structuur, een speciale symmetrie creëren met een nieuwe elektronenbandstructuur, ' zei Mohanta.

Verschillende toestanden van een kwantummechanisch systeem worden "ontaard" genoemd als ze bij meting dezelfde energiewaarde hebben. Het is even waarschijnlijk dat elektronen elke gedegenereerde toestand vullen. In dit geval, de speciale symmetrie resulteert in vier toestanden die voorkomen in een enkel energieniveau.

"Vanwege de bijzondere symmetrie, de degeneratie wordt beschermd, Mohanta zei. "De Dirac-elektronendispersie die we hier hebben gevonden, is nieuw in een materiaal." Hij voerde berekeningen uit met Satoshi Okamoto, die een model ontwikkelde om te ontdekken hoe kristalsymmetrie de bandstructuur beïnvloedt.

"Denk aan een kwantummateriaal onder een magnetisch veld als een gebouw van 10 verdiepingen met bewoners op elke verdieping, " Ok geponeerd. "Elke verdieping is een gedefinieerde, gekwantificeerd energieniveau. Het verhogen van de veldsterkte is vergelijkbaar met het trekken van een brandalarm dat alle bewoners naar de begane grond drijft om elkaar op een veilige plek te ontmoeten. In werkelijkheid, het drijft alle Dirac-elektronen naar een grondenergieniveau dat de extreme kwantumlimiet wordt genoemd."

Lee heeft toegevoegd, "Hier opgesloten, de elektronen verdringen zich samen. Hun interacties nemen sterk toe, en hun gedrag wordt onderling verbonden en gecompliceerd." Dit gecorreleerde elektronengedrag, een afwijking van een foto met één deeltje, vormt het toneel voor onverwacht gedrag, zoals elektronenverstrengeling. in verstrikking, een staat die Einstein 'spookachtige actie op afstand' noemde, " meerdere objecten gedragen zich als één. Het is de sleutel tot het realiseren van quantum computing.

"Ons doel is om te begrijpen wat er zal gebeuren als elektronen de extreme kwantumlimiet binnengaan, waar we verschijnselen vinden die we nog steeds niet begrijpen, ' zei Lee. 'Dit is een mysterieus gebied.'

Snelle Dirac-elektronen zijn veelbelovend in materialen zoals grafeen, topologische isolatoren en bepaalde onconventionele supergeleiders. Het unieke materiaal van ORNL is een Dirac-halfmetaal, waarin elektronvalentie- en geleidingsbanden elkaar kruisen en deze topologie levert verrassend gedrag op. Ok leidde metingen van de sterke elektronencorrelaties van het Dirac-halfmetaal.

"We vonden de hoogste elektronenmobiliteit in op oxide gebaseerde systemen, " Ok zei. "Dit is het eerste op oxide gebaseerde Dirac-materiaal dat de extreme kwantumlimiet bereikt."

Dat belooft veel goeds voor geavanceerde elektronica. De theorie voorspelt dat het ongeveer 100, 000 tesla (een eenheid van magnetische meting) voor elektronen in conventionele halfgeleiders om de extreme kwantumlimiet te bereiken. De onderzoekers namen hun door een spanning ontworpen topologisch kwantummateriaal mee naar Eun Sang Choi van het National High Magnetic Field Laboratory van de Universiteit van Florida om te zien wat er nodig zou zijn om elektronen naar de extreme kwantumlimiet te drijven. Daar, hij mat kwantumoscillaties en toonde aan dat het materiaal slechts 3 tesla nodig zou hebben om dat te bereiken.

Andere gespecialiseerde faciliteiten stelden de wetenschappers in staat om het gedrag dat Mohanta voorspelde experimenteel te bevestigen. De experimenten vonden plaats bij lage temperaturen, zodat elektronen konden bewegen zonder te worden gestoten door atomaire roostertrillingen. De groep van Jeremy Levy aan de Universiteit van Pittsburgh en het Pittsburgh Quantum Institute bevestigde kwantumtransporteigenschappen. Met synchrotron röntgendiffractie, Hua Zhou bij de Advanced Photon Source, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij Argonne National Laboratory, bevestigde dat de kristallografische structuur van het materiaal, gestabiliseerd in de dunne-filmfase, de unieke Dirac-bandstructuur opleverde. Sangmoon Yoon en Andrew Lupini, beide van ORNL, voerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie-experimenten uit bij ORNL die aantoonden dat de epitaxiaal gegroeide dunne films scherpe grensvlakken tussen lagen hadden en dat het transportgedrag intrinsiek was aan gespannen strontiumniobaat.

"Tot nu, we konden de fysica van de extreme kwantumlimiet niet volledig onderzoeken vanwege de moeilijkheden om alle elektronen naar één energieniveau te duwen om te zien wat er zou gebeuren, ' zei Lee. 'Nu, we kunnen alle elektronen naar deze extreme kwantumlimiet duwen door slechts een paar tesla magnetisch veld toe te passen in een laboratorium, het versnellen van ons begrip van kwantumverstrengeling."

De titel van de wetenschappelijke vooruitgang papier is "Gecorreleerd Oxide Dirac Semimetal in de Extreme Quantum Limit."