Se descoperă un nou material cuantic – cu proprietăți surprinzătoare

O compoziție de ceriu, ruteniu și staniu – cu proprietăți surprinzătoare. Credit: TU Wien

O echipă de cercetători din TU Wien, împreună cu institutele de cercetare americane, au întâlnit o formă surprinzătoare de „critică cuantică”; acest lucru poate duce la un concept de proiectare pentru materiale noi.

În viața de zi cu zi, tranzițiile de fază sunt de obicei legate de schimbările de temperatură – de exemplu, atunci când un cub de gheață se încălzește și se topește. Dar există și diferite tipuri de tranziții de fază, în funcție de alți parametri, cum ar fi câmpurile magnetice. Pentru a înțelege proprietățile cuantice ale materialelor, tranzițiile de fază sunt deosebit de interesante atunci când apar direct în zero absolut punctul de temperatură. Aceste tranziții sunt numite „tranziții cuantice de fază” sau „puncte critice cuantice”.

Un astfel de punct critic cuantic a fost descoperit acum de o echipă de studiu austro-americană într-un nou material și într-o formă extrem de curată. Caracteristicile acestui material sunt acum cercetate în continuare. Se suspectează că materialul poate fi așa-numitul semimetal Weyl-Kondo, care este considerat a avea un mare potențial pentru tehnologia cuantică datorită stărilor cuantice speciale (așa-numitele stări topologice). Dacă acest lucru se dovedește a fi adevărat, s-ar fi găsit o cheie pentru dezvoltarea țintită a materialelor tunurilor cuantice. Rezultatele au fost găsite într-o colaborare între TU Wien, Universitatea Johns Hopkins, Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) și Universitatea Rice și sunt publicate acum în revista Progrese în știință.

Critica cuantică – mai simplă și mai clară ca niciodată

„Comportamentul critic cuantic este de obicei studiat la metale sau izolatori. Dar acum am urmărit o semifinală ”, spune prof. Silke Bühler-Paschen de la Solid State Physics Institute de la TU Wien. Materialul este un compus din ceriu, ruteniu și staniu – cu proprietăți care se află între cele ale metalelor și semiconductoarelor.

De obicei, critica cuantică poate fi creată numai în condiții de mediu foarte specifice – o anumită presiune sau un câmp electromagnetic. „În mod surprinzător, totuși, semimetalul nostru s-a dovedit a fi cuantic critic fără nicio influență externă”, spune Wesley Fuhrman, doctorand în echipa prof. Collin Broholm de la Universitatea Johns Hopkins, care a adus o contribuție semnificativă la rezultat prin măsurători de împrăștiere a neutronilor. “În mod normal, trebuie să lucrați din greu pentru a produce condițiile de laborator potrivite, dar acest semi-metal oferă o critică cuantică de la sine.”

Acest rezultat surprinzător se datorează probabil faptului că comportamentul electronilor din acest material are unele caracteristici speciale. „Este un sistem electronic foarte interconectat. Acest lucru înseamnă că electronii interacționează puternic unul cu celălalt și că nu puteți explica comportamentul lor uitându-vă individual la electroni ”, spune Bühler-Paschen. „Această interacțiune cu electronul duce la așa-numitul efect Kondo. Aici, o rotație cuantică în material este protejată de electronii care îl înconjoară, astfel încât rotația nu mai are niciun efect asupra restului materialului. “

Dacă există doar relativ puțini electroni liberi, așa cum este cazul într-o semifinală, atunci efectul Kondo este instabil. Acesta poate fi motivul comportamentului critic cuantic al materialului: sistemul oscilează între o stare cu și o stare fără efect Kondo, iar acest lucru are efectul unei tranziții de fază la temperatura zero.

Fluctuațiile cuantice pot duce la particule Weyl

Principalul motiv pentru care rezultatul este atât de central este că se suspectează că este strâns legat de fenomenul „fermionului Weyl”. În corpurile rigide, fermionii Weyl pot apărea sub formă de noduli – adică ca stimuli colectivi, cum ar fi undele dintr-un iaz. “Conform previziunilor teoretice, astfel de fermioni Weyl ar trebui să existe în acest material”, spune fizicianul teoretic Qimiao Si de la Universitatea Rice. Cu toate acestea, dovezi experimentale nu au fost încă găsite. „Bănuim că critica cuantică pe care am observat-o favorizează apariția unor astfel de fermioni Weyl”, spune Silke Bühler-Paschen. „Fluctuațiile cuantice critice pot avea un efect stabilizator asupra fermionilor Weyl, într-un mod similar cu fluctuațiile cuantice critice din superconductorii de temperatură înaltă care țin împreună perechile de superconductori Cooper. Aceasta este o întrebare de bază care face obiectul multor studii din întreaga lume și am descoperit aici un nou glonț fierbinte. “

Ni se pare că anumite efecte cuantice – și anume fluctuațiile cuantice critice, efectul Kondo și fermionii Weyl – sunt puternic împletite în materialul nou descoperit și, împreună, dau naștere stărilor exotice Weyl-Kondo. Acestea sunt stări „topologice” de mare stabilitate care, spre deosebire de alte stări cuantice, nu pot fi ușor distruse de perturbări externe. Acest lucru le face deosebit de interesante pentru computerele cuantice.

Pentru a verifica toate acestea, trebuie efectuate măsurători suplimentare în diferite condiții externe. Echipa se așteaptă ca o interacțiune similară cu diferite efecte cuantice să fie găsită și în alte materiale. „Acest lucru poate duce la crearea unui concept de proiectare prin care astfel de materiale pot fi îmbunătățite, adaptate și utilizate în mod specific pentru aplicații concrete”, spune Bühler-Paschen.

Referințe: “Critica cuantică curată într-un semimetal Kondo” de Wesley T. Fuhrman, Andrey Sidorenko, Jonathan Hänel, Hannes Winkler, Andrey Prokofiev, Jose A. Rodriguez-Rivera, Yiming Qiu, Peter Blaha, Qimiao Si, Collin L. Broholm și Silke Paschen, 19 mai 2021, Progrese în știință.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf9134

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.