Танго-связывающие электроны в оксиде перовскита в квантовых максимумах

Команда, возглавляемая Окриджской национальной лабораторией Министерства энергетики, обнаружила редкий квантовый материал, в котором электроны движутся согласованно и по сути «танцуют». Напряжение материала создает электронную зонную структуру, которая открывает путь для более экзотического поведения — сродни танго — между электронами Дирака, которые являются особенно мобильными носителями электрического заряда, которые однажды могут позволить более быстрые транзисторы. Результаты опубликованы в журнале. научный прогресс.

«Мы объединили корреляцию и топологию в одну систему», — сказал один из главных исследователей Чон Мок Ок, который вместе с главным исследователем Хо Ньюнг Ли из ORNL разработал идею исследования. Топология проверяет свойства, которые сохраняются даже при деформации геометрического объекта, например при растяжении или сжатии. «Это исследование может оказаться незаменимым для будущих информационных и вычислительных технологий», — добавил Оук, бывший научный сотрудник ORNL.

В обычных материалах электроны движутся предсказуемо (например, инертно в изоляторах или сильно в металлах). В квантовых материалах, в которых электроны сильно взаимодействуют друг с другом, физические силы заставляют электроны вести себя неожиданным, но коррелированным образом; Движение одного электрона заставляет соседние электроны реагировать.

Изучить это узкое танго в топологии квантовые материалыЧто ж, он провел синтез очень стабильной кристаллической мембраны из оксида переходного металла. Он и его коллеги сделали пленку с помощью лазерных адгезионных импульсов и растянули ее, чтобы сжать слои и стабилизировать фазу, отсутствующую в массивном кристалле. Ученые первыми доказали эту стадию.

Используя теоретическое моделирование, соучредитель исследования Нараян Моханта, бывший научный сотрудник ORNL, предсказал полосовую структуру напряженного материала. «В напряженной среде изучаемое нами соединение, ниобат стронция, оксид перовскита, изменяет свою структуру, создавая особую симметрию с новой структурой электронных зон», — сказал Моханта.

Различные состояния квантово-механической системы называются «вырожденными», если при измерении они имеют одинаковое значение энергии. Электроны, вероятно, заполнят каждое вырожденное состояние. В этом случае особая симметрия приводит к появлению четырех состояний на одном энергетическом уровне.

«Благодаря особой симметрии дегенерация защищена», — сказал Моханта. «Рассеяние электронов Дирака, которое мы здесь обнаружили, является новым для материала». Он провел расчеты с Сатоши Окамото, который разработал модель, чтобы обнаружить, как симметрия кристалла влияет на зонную структуру.

«Подумайте о квантовой материи под магнитное поле В 10-этажном здании с жильцами на каждом этаже, «ОК», каждый этаж имеет определенный уровень и количество энергии. Увеличение напряженности поля похоже на включение пожарной сигнализации, которая отправляет всех жителей на первый этаж, чтобы встретиться в безопасном месте. Фактически, он подталкивает все электроны Дирака к основному уровню энергии, называемому экстремальным квантовым пределом. «

Ли добавил: «Заключенные здесь электроны слипаются. Их взаимодействие увеличивается экспоненциально, а их поведение становится взаимосвязанным и сложным». Такое поведение запутанных электронов, отклонение от одночастичной картины, подготавливает почву для неожиданного поведения, такого как запутывание электронов. В запутанности, состоянии, которое Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», несколько объектов ведут себя как один. Это ключ к достижению квантовых вычислений.

«Наша цель — понять, что произойдет, когда электроны войдут в квантовый максимум, где мы обнаружим явления, которые до сих пор не понимаем», — сказал он мне. «Это загадочная область».

Быстрые дираковские электроны дают многообещающие результаты в таких материалах, как графен, топологические изоляторы и некоторые нетрадиционные сверхпроводники. Уникальным материалом ORNL является полуметаллический материал Дирака, в котором электронная валентная зона и зона проводимости пересекаются, и эта структура приводит к удивительному поведению. Итак, измерения сильных электронных корреляций привели к полуметаллу Дирака.

«Мы обнаружили самую высокую подвижность электронов в системах на основе оксидов», — сказал Ок. «Это первый материал на основе оксида Дирака, достигший своего квантового предела».

Это хороший предзнаменование для продвинутой электроники. Теория предсказывает, что электронам в обычном полупроводнике необходимо около 100000 тесла (единица магнитометра), чтобы достичь своего квантового предела. Исследователи отнесли искусственно созданный топологический квантовый материал Ын Санг Чой из Национальной лаборатории сильного магнитного поля Университета Флориды, чтобы посмотреть, что потребуется, чтобы подтолкнуть электроны к их квантовому пределу. Там он измерил квантовые колебания, показавшие, что материи требуется всего 3 тесла, чтобы это произошло.

Другие специализированные объекты позволили ученым экспериментально подтвердить поведение, предсказанное Мохантой. Эксперименты проводились при низких температурах, чтобы электроны могли двигаться, не подвергаясь воздействию колебаний атомной решетки. Группа Джереми Леви из Питтсбургского университета и квантового Питтсбургского института подтвердила свойства квантового транспорта. С помощью синхротронной дифракции рентгеновских лучей Хуа Чжоу из Advanced Photon Source, пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики Аргоннской национальной лаборатории, подтвердил, что кристаллическая структура стабильного материала в тонкопленочной фазе дает уникальную полосу Дирака. состав. Сангмун Юн и Эндрю Лупини, оба из ORNL, провели эксперименты по просвечивающей электронной микроскопии в ORNL, которые показали, что тонкие пленки, выращенные выше эпитаксиальной оси, имеют резкие границы раздела между слоями и что транспортные свойства присущи напряженному стронциевому необиту.

«До сих пор мы не могли полностью изучить физику экстремального квантового предела из-за трудностей, связанных с понижением всех электронов до одного энергетического уровня, чтобы увидеть, что происходит», — сказал Ли. «Теперь мы все можем заплатить Электроны к этому экстремальному квантовому пределу, применив магнитное поле в несколько тесла в лаборатории, что ускоряет наше понимание квантовой запутанности. «

Заголовок научный прогресс Бумага представляет собой «связанный полимером оксид Дирака в экстремальных квантовых пределах».