Le principe de conception pourrait guider la recherche de métaux avec des états quantiques immuables

Des physiciens de l’Université Rice, à la tête de la recherche et en collaboration avec des physiciens de l’Université de Stony Brook, de l’Université de technologie de Vienne en Autriche (TU Wien), du Laboratoire national de Los Alamos, du Centre international de physique de Donostia en Espagne et de l’Institut Max Planck de physique chimique des solides en Allemagne, ont dévoilé leur nouveau principe de conception dans une étude publiée en ligne aujourd’hui dans Physique naturelle.

L’équipe comprend des scientifiques de Rice, TU Wien et Los Alamos qui ont découvert le premier semi-métal topologique fortement corrélé en 2017. Ce système et d’autres que le nouveau principe de conception cherche à identifier sont largement recherchés par l’industrie de l’informatique quantique car les états topologiques ont des caractéristiques immuables qui ne peuvent pas être effacé ou perdu à cause de la décohérence quantique.

“Le paysage de la matière topologique fortement corrélée est à la fois vaste et largement inexploré”, a déclaré le co-auteur de l’étude Qimiao Si, professeur de physique et d’astronomie Harry C. et Olga K. Wiess de Rice. “Nous nous attendons à ce que ce travail aide à guider son exploration.”

En 2017, le groupe de recherche de Si à Rice a réalisé une étude de modèle et a découvert un état surprenant de la matière qui abritait à la fois un caractère topologique et un exemple par excellence de physique à forte corrélation appelée effet Kondo, une interaction entre les moments magnétiques d’électrons corrélés confinés à atomes dans un métal et les spins collectifs de milliards d’électrons de conduction qui passent. Parallèlement, une équipe expérimentale dirigée par Silke Paschen de TU Wien a introduit un nouveau matériau et a signalé qu’il avait les mêmes propriétés que celles de la solution théorique. Les deux équipes ont nommé l’état fortement corrélé de la matière un semi-métal de Weyl-Kondo. Si a déclaré que la symétrie cristalline jouait un rôle important dans les études, mais que l’analyse restait au niveau de la preuve de principe.

“Nos travaux de 2017 se sont concentrés sur une sorte d’atome d’hydrogène de symétrie cristalline”, a déclaré Si, un physicien théoricien qui a passé plus de deux décennies à étudier des matériaux fortement corrélés comme les fermions lourds et les supraconducteurs non conventionnels. “Mais cela a ouvert la voie à la conception d’une nouvelle topologie métallique corrélée.”

Les matériaux quantiques fortement corrélés sont ceux où les interactions de milliards et de milliards d’électrons donnent lieu à des comportements collectifs comme la supraconductivité non conventionnelle ou des électrons qui se comportent comme s’ils avaient plus de 1 000 fois leur masse normale. Bien que les physiciens aient étudié les matériaux topologiques pendant des décennies, ils n’ont commencé que récemment à étudier les métaux topologiques qui hébergent des interactions fortement corrélées.

“La conception de matériaux est très difficile en général, et concevoir des matériaux fortement corrélés est encore plus difficile”, a déclaré Si, membre de la Rice Quantum Initiative et directeur du Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

Jennifer Cano de Si et Stony Brook a dirigé un groupe de théoriciens qui ont développé un cadre pour identifier les matériaux candidats prometteurs en croisant les informations dans une base de données de matériaux connus avec la sortie de calculs théoriques basés sur des structures cristallines réalistes. En utilisant la méthode, le groupe a identifié la structure cristalline et la composition élémentaire de trois matériaux susceptibles d’héberger des états topologiques résultant de l’effet Kondo.

“Depuis que nous avons développé la théorie de la chimie quantique topologique, l’application du formalisme à des matériaux fortement corrélés est un objectif de longue date”, a déclaré Cano, professeur adjoint de physique et d’astronomie à Stony Brook et chercheur au Flatiron Institute’s Center for Computational. La physique quantique. “Notre travail est le premier pas dans cette direction.”

Si a déclaré que le cadre théorique prédictif découlait d’une prise de conscience que lui et Cano avaient eue à la suite d’une session de discussion impromptue qu’ils avaient organisée entre leurs groupes de travail respectifs au Aspen Center for Physics en 2018.

“Ce que nous avons postulé, c’est que les excitations fortement corrélées sont toujours soumises à des exigences de symétrie”, a-t-il déclaré. “A cause de cela, je peux en dire beaucoup sur la topologie d’un système sans avoir recours à des calculs ab initio qui sont souvent nécessaires mais qui sont particulièrement difficiles pour étudier des matériaux fortement corrélés.”

Pour tester l’hypothèse, les théoriciens de Rice et Stony Brook ont ​​réalisé des études de modèles pour des symétries cristallines réalistes. Pendant la pandémie, les équipes théoriques du Texas et de New York ont ​​​​eu de longues discussions virtuelles avec le groupe expérimental de Paschen à TU Wien. La collaboration a développé le principe de conception de matériaux topologiques semi-métalliques corrélés avec les mêmes symétries que celles utilisées dans le modèle étudié. L’utilité du principe de conception a été démontrée par l’équipe de Paschen, qui a fabriqué l’un des trois composés identifiés, l’a testé et a vérifié qu’il hébergeait les propriétés prédites.

“Tout indique que nous avons trouvé un moyen robuste d’identifier les matériaux qui ont les caractéristiques que nous voulons”, a déclaré Si.

Les co-auteurs de l’étude incluent Lei Chen, Chandan Setty et Haoyu Hu de Rice ; Sarah Grefe ’17, ancienne élève du riz, du Laboratoire national de Los Alamos; Lukas Fischer, Xinlin Yan, Gaku Eguchi et Andrey Prokofiev de TU Wien ; et Maia Vergniory de l’Institut Max Planck de physique chimique des solides à Dresde, en Allemagne, et du Centre international de physique de Donostia à Saint-Sébastien, en Espagne.

La recherche à Rice a été soutenue par l’Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0356), la National Science Foundation (DMR-2220603, EIA-0216467, CNS-1338099, DMR-170109, PHY-1607611), la Welch Foundation (C-1411) et les installations informatiques de la grille universitaire partagée de Rice, et ont bénéficié de l’hospitalité du Aspen Center for Physics.