Terwijl natuurkundigen dieper in het kwantumrijk duiken, ontdekken ze een oneindig kleine wereld die bestaat uit een vreemde en verrassende reeks schakels, knopen en kronkels. Sommige kwantummaterialen vertonen magnetische wervelingen die skyrmionen worden genoemd - unieke configuraties die worden beschreven als 'subatomaire orkanen'. Anderen hebben een vorm van supergeleiding die in draaikolken draait.

Nu, in een artikel gepubliceerd in Nature een door Princeton geleid team van natuurkundigen heeft ontdekt dat elektronen in kwantummaterie op vreemde nieuwe manieren met elkaar kunnen verbinden. Het werk brengt ideeën op drie gebieden van de wetenschap samen - fysica van de gecondenseerde materie, topologie en knopentheorie - op een nieuwe manier, wat onverwachte vragen oproept over de kwantumeigenschappen van elektronische systemen.

Topologie is de tak van de theoretische wiskunde die geometrische eigenschappen bestudeert die kunnen worden vervormd maar niet intrinsiek veranderd. Topologische kwantumtoestanden kwamen voor het eerst onder de aandacht van het publiek in 2016 toen drie wetenschappers, waaronder Duncan Haldane, Thomas D. Jones hoogleraar wiskundige natuurkunde van Princeton en hoogleraar natuurkunde Sherman Fairchild University, de Nobelprijs kregen voor hun theoretische voorspelling van topologie in elektronische materialen.

Sinds die tijd hebben onderzoekers geprobeerd dit onderzoeksgebied uit te breiden om een ​​dieper begrip van de kwantummechanica te creëren, zoals op het gebied van "kwantumtopologie", die de toestand van een elektron probeert te verklaren zoals beschreven door een eigenschap die de golffunctie wordt genoemd. Dit was de katalysator die leidde tot het huidige onderzoek, zei M. Zahid Hasan, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University en de senior auteur van de studie.

"We bestuderen eigenschappen die verband houden met de vorm van de golffuncties van elektronen", zei Hasan. "En we hebben het veld nu naar een nieuwe grens gebracht."

De essentiële bouwsteen van deze nieuwe grens is een kwantummechanische structuur die bekend staat als een Weyl-lus, waarbij massaloze elektronengolffuncties in een kristal worden gewikkeld. In eerder baanbrekend werk, gepubliceerd in Science in 2019 werden de massaloze Weyl-lussen ontdekt in een verbinding bestaande uit kobalt, mangaan en gallium, met de chemische formule Co₂ MnGa. Dit onderzoek werd geleid door Hasan en omvatte veel van de auteurs van de nieuwe studie. In die tijd begrepen ze dat de massaloze Weyl-lussen exotisch gedrag produceren onder aangelegde elektrische en magnetische velden. Dit gedrag hield aan tot kamertemperatuur.

Op zichzelf is een Weyl-lus een voorbeeld van het soort kwantumgolffunctiewikkeling dat al bekend is. "Eerdere voorbeelden van topologie in de natuurkunde betroffen vaak het opwinden van kwantummechanische golffuncties", zegt Hasan, die het huidige onderzoek leidde. "Deze zijn de afgelopen tien jaar de focus geweest van de natuurkundegemeenschap." Deze ideeën zijn afgeleid van eerdere werken van het team over kristallen gemaakt van rhodium en silicium (RhSi), evenals materialen genaamd Chern-magneten gemaakt van de elementen terbium, magnesium en tin (TbMn₆ Sn₆ ). Beide ontdekkingen werden geleid door de groep van professor Hasan en gerapporteerd in Nature in 2019 en daarna in Natuur in 2020.

Het geval van Co₂ MnGa bleek anders te zijn dan golffunctiewikkeling die in conventionele topologische theorieën wordt beschouwd. "Hier hebben we in plaats daarvan lussen met elkaar verbonden - onze nieuw ontdekte geknoopte topologie is van een andere aard en geeft aanleiding tot verschillende wiskundige koppelingsgetallen", zegt Tyler Cochran, een afgestudeerde student aan de afdeling Natuurkunde van Princeton en co-auteur van de nieuwe studie.

De Co₂ MnGa-materialen werden gekweekt door professor Claudia Felser en haar team van het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Duitsland.

Een essentieel inzicht kwam toen het Princeton-team berekende en begreep dat bepaalde kwantummaterialen zoals Co₂ MnGa kan meerdere Weyl-loops tegelijkertijd hosten. "Wanneer meerdere Weyl-lussen naast elkaar bestaan, wordt het normaal om te vragen of ze op bepaalde manieren kunnen verbinden en knopen," zei Hasan.

Deze realisatie door het team van Hasan leidde tot fundamentele vragen over gekoppelde Weyl-loops en bracht een team van experts van over de hele wereld samen op het gebied van foto-emissiespectroscopie, wiskundige topologie, synthese van kwantummateriaal en eerste-principes kwantumberekeningen om linktopologie en knopen in kwantummaterie beter te begrijpen .

Om de link experimenteel te observeren, werkte het internationale team meer dan vijf jaar samen om hun eerdere werken aan topologische magneten uit te breiden. Het team voerde geavanceerde foto-emissiespectroscopie-experimenten uit in geavanceerde synchrotronstralingsfaciliteiten in de Verenigde Staten, Zwitserland, Japan en Zweden.

"Het bleek een fascinerende puzzel te zijn die ons een tijdje verslaafd hield", zegt Ilya Belopolski, hoofdauteur van de studie, voorheen een afgestudeerde student in het laboratorium van Hasan aan de Princeton University en nu een postdoctoraal onderzoeker aan het RIKEN Center for Emergent Matter Wetenschap in de buurt van Tokio, Japan. "Het ontrafelen van de fijne kneepjes van deze uitgebreide gekoppelde kwantumstructuur zelf vereiste meer dan drie jaar van hoge precisie en ultrahoge resolutie metingen bij 's werelds toonaangevende spectroscopische faciliteiten."

Analyse van de experimentele gegevens onthulde een contra-intuïtief object dat op zichzelf was gevouwen en zich om een ​​hoger-dimensionale torus wikkelde. "Het begrijpen van de structuur van het object vereiste een nieuwe brug tussen kwantummechanica, wiskundige topologie en knopentheorie", zegt Guoqing Chang, een auteur van de studie die nu assistent-professor natuurkunde is aan de Nanyang Technological University in Singapore. Als voormalig postdoctoraal onderzoeker die met Hasan in Princeton werkte, leidde Chang in 2017 een van de vroege theoretische studies van linktopologie in een baanbrekend werk in Physical Review Letters .

In feite ontdekte het onderzoeksteam dat de bestaande kwantumtheorie van materialen de opkomst van deze structuur niet adequaat kon verklaren. Maar de knooptheorie, zo herkenden ze, kan enkele aanwijzingen bevatten.

"We kwamen tot het besef dat sommige aspecten van de knooptheorie zeer krachtig zijn in het verklaren van kwantumeigenschappen van topologische materialen die voorheen niet werden begrepen", zei Hasan. "Dit is het eerste voorbeeld waarvan we weten dat de knooptheorie is toegepast om het gedrag van topologische magneten te begrijpen. En dit is heel spannend."

De bevindingen zetten het decennialange gesprek tussen natuurkunde en topologie voort en breiden het uit, dit keer met nieuwe wiskundige ideeën om experimenten op kwantumferromagneten uit te leggen. "Historisch gezien ontstonden enkele van de belangrijkste wetenschappelijke ontdekkingen toen mensen nieuwe verbanden tussen wiskunde en natuurlijke fenomenen opmerkten. Het is altijd spannend om onverwachte voorbeelden van subtiele wiskunde in onze experimenten te vinden," zei Hasan. "Sterker nog, het was interessant dat de wiskundige connectie op het gebied van topologie lag, die keer op keer in verschillende gedaanten naar voren is gekomen in de studie van kwantummaterialen."

De onderzoekers willen hun onderzoek in meerdere richtingen uitbreiden. Hoewel Hasan en zijn team hun inspanningen hebben gericht op het gedrag van topologische magneten, beweren ze dat de theorie het potentieel heeft om ander kwantumgedrag te helpen verklaren. "Wij geloven dat de knooptheorie ook kan worden toegepast op veel andere topologische geleiders, supergeleiders, qubits en vele andere dingen", zei hij.

En hoewel de onderzoekers niet aan praktische toepassingen dachten - "We waren betrokken bij fundamenteel onderzoek", benadrukte Hasan - zouden hun inzichten kunnen helpen bij de ontwikkeling van kwantumcomputers, vooral bij het ontwikkelen van nieuwe soorten topologische qubits. + Verder verkennen

Vooruitgang en vooruitzichten in magnetische topologische materialen