Amerikaanse en Europese natuurkundigen hebben een nieuwe methode gedemonstreerd om te voorspellen of metaalverbindingen waarschijnlijk topologische toestanden bevatten die voortkomen uit sterke elektroneninteracties.

Natuurkundigen van Rice University, die het onderzoek leiden en samenwerken met natuurkundigen van Stony Brook University, de Oostenrijkse Technische Universiteit van Wenen (TU Wien), Los Alamos National Laboratory, het Spaanse Donostia International Physics Centre en het Duitse Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, onthulden hun nieuw ontwerpprincipe in een studie die vandaag online is gepubliceerd in Nature Physics .

Het team bestaat uit wetenschappers van Rice, TU Wien en Los Alamos die in 2017 het eerste sterk gecorreleerde topologische halfmetaal ontdekten. Dat systeem en andere die het nieuwe ontwerpprincipe probeert te identificeren, worden algemeen gezocht door de kwantumcomputerindustrie omdat topologische toestanden onveranderlijke kenmerken hebben die niet worden gewist of verloren gaan door kwantumdecoherentie.

"Het landschap van sterk gecorreleerde topologische materie is zowel groot als grotendeels niet onderzocht", zei co-auteur Qimiao Si, Rice's Harry C. en Olga K. Wiess hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. "We verwachten dat dit werk de verkenning zal helpen begeleiden."

In 2017 voerde de onderzoeksgroep van Si bij Rice een modelstudie uit en vond een verrassende toestand van de materie die zowel topologisch karakter herbergde als een typisch voorbeeld van sterke correlatiefysica, het Kondo-effect, een interactie tussen de magnetische momenten van gecorreleerde elektronen beperkt tot atomen in een metaal en de collectieve spins van miljarden passerende geleidingselektronen. Tegelijkertijd introduceerde een experimenteel team onder leiding van Silke Paschen van de TU Wien een nieuw materiaal en meldde dat het dezelfde eigenschappen had als die in de theoretische oplossing. De twee teams noemden de sterk gecorreleerde toestand van de materie een Weyl-Kondo-halfmetaal. Si zei dat kristallijne symmetrie een belangrijke rol speelde in de studies, maar de analyse bleef op het proof-of-principle-niveau.

"Ons werk in 2017 was gericht op een soort waterstofatoom met kristallijne symmetrie", zegt Si, een theoretisch fysicus die meer dan twee decennia heeft besteed aan het bestuderen van sterk gecorreleerde materialen zoals zware fermionen en onconventionele supergeleiders. "Maar het zette de toon voor het ontwerpen van nieuwe gecorreleerde metalen topologie."

Sterk gecorreleerde kwantummaterialen zijn die waarbij de interacties van miljarden op miljarden elektronen aanleiding geven tot collectief gedrag zoals onconventionele supergeleiding of elektronen die zich gedragen alsof ze meer dan 1000 keer hun normale massa hebben. Hoewel natuurkundigen al tientallen jaren topologische materialen bestuderen, zijn ze pas onlangs begonnen met het onderzoeken van topologische metalen die sterk gecorreleerde interacties herbergen.

"Materiaalontwerp is over het algemeen erg moeilijk, en het ontwerpen van sterk gecorreleerde materialen is nog moeilijker", zegt Si, een lid van het Rice Quantum Initiative en directeur van het Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

Si and Stony Brook's Jennifer Cano led a group of theorists that developed a framework for identifying promising candidate materials by cross-referencing information in a database of known materials with the output of theoretical calculations based on realistic crystal structures. Using the method, the group identified the crystal structure and elemental composition of three materials that were likely candidates for hosting topological states arising from the Kondo effect.

"Since we developed the theory of topological quantum chemistry, it has been a longstanding goal to apply the formalism to strongly correlated materials," said Cano, an assistant professor of physics and astronomy at Stony Brook and research scientist at the Flatiron Institute's Center for Computational Quantum Physics. "Our work is the first step in that direction."

Si said the predictive theoretical framework stemmed from a realization he and Cano had following an impromptu discussion session they organized between their respective working groups at the Aspen Center for Physics in 2018.

"What we postulated was that strongly correlated excitations are still subject to symmetry requirements," he said. "Because of that, I can say a lot about the topology of a system without resorting to ab initio calculations that are often required but are particularly challenging for studying strongly correlated materials."

To test the hypothesis, the theorists at Rice and Stony Brook carried out model studies for realistic crystalline symmetries. During the pandemic, the theoretical teams in Texas and New York had extensive virtual discussions with Paschen's experimental group at TU Wien. The collaboration developed the design principle for correlated topological-semimetal materials with the same symmetries as used in the model studied. The utility of the design principle was demonstrated by Paschen's team, which made one of the three identified compounds, tested it and verified that it hosted the predicted properties.

"All indications are that we have found a robust way to identify materials that have the features we want," Si said. + Verder verkennen

Interwoven:How charge and magnetism intertwine in kagome material