«Мы объединили корреляцию и топологию в одной системе», – сказал один из главных исследователей Чон Мок Ок, задумавший исследование вместе с главным исследователем Хо Ньюнг Ли из ORNL. 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 Ок, бывший научный сотрудник ORNL.
В обычных материалах электроны движутся предсказуемо (например, летаргически в изоляторах или энергично 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.
Чтобы изучить это плотное танго в топологических квантовых материалах, Ок руководил синтезом чрезвычайно стабильной кристаллической тонкой пленки оксида переходного металла.
Он и его коллеги сделали пленку с помощью импульсной лазерной эпитаксии и растянули ее, чтобы сжать слои и стабилизировать фазу, которой нет в массивном кристалле. Ученые первыми стабилизировали эту фазу.
Используя теоретическое моделирование, соучредитель исследования Нараян Моханта, бывший научный сотрудник ORNL, предсказал полосовую структуру напряженного материала. «В напряженной среде соединение, которое мы исследовали, 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 они имеют одинаковое значение энергии при измерении.
Электроны с одинаковой вероятностью заполнят каждое вырожденное состояние. В этом случае особая симметрия приводит к появлению четырех состояний на одном энергетическом уровне.
«Благодаря особой симметрии вырождение защищено», – сказал Моханта. "Дисперсия электронов Дирака, которую мы обнаружили здесь, является новой в материале."Он провел расчеты с Сатоши Окамото, который разработал модель для обнаружения того, как симметрия кристалла влияет на зонную структуру.
«Представьте квантовый материал в магнитном поле как 10-этажное здание с жителями на каждом этаже», – заявил Ок. "Каждый этаж – это определенный квантованный уровень энергии. Увеличение напряженности поля похоже на включение пожарной сигнализации, которая заставляет всех жителей спускаться на первый этаж, чтобы встретиться в безопасном месте. На самом деле он доводит все электроны Дирака до основного уровня энергии, называемого экстремальным квантовым пределом."
Ли добавил: «Здесь электроны собираются вместе. Их взаимодействие резко возрастает, а их поведение становится взаимосвязанным и сложным."Такое коррелированное поведение электронов, отклонение от одночастичной картины, создает основу 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 реализации квантовых вычислений.
«Наша цель – понять, что произойдет, когда электроны войдут в крайний квантовый предел, когда мы обнаружим явления, которые до сих пор не понимаем», – сказал Ли. "Это загадочная местность."
Быстрые дираковские электроны перспективны в материалах, включая графен, топологические изоляторы и некоторые нетрадиционные сверхпроводники. Уникальный материал ORNL – полуметалл Дирака, в котором пересекаются электронная валентная зона и зона проводимости, и такая топология дает удивительное поведение.
Хорошо провели измерения сильных электронных корреляций полуметалла Дирака.
«Мы обнаружили самую высокую подвижность электронов в системах на основе оксидов», – сказал Ок. "Это первый дираковский материал на основе оксида, достигший крайнего квантового предела."
Это хорошо для продвинутой электроники.
Теория предсказывает, что электронам в обычных полупроводниках потребуется около 100000 тесла (единица измерения магнитного поля), чтобы достичь экстремального квантового предела. Исследователи доставили созданный с помощью механической деформации топологический квантовый материал Ын Санг Чой из Национальной лаборатории сильного магнитного поля в Университете Флориды, чтобы посмотреть, что потребуется, чтобы довести электроны до экстремального квантового предела. Там он измерил квантовые колебания, показав, что материалу потребуется всего 3 тесла, чтобы достичь этого.
Другие специализированные объекты позволили ученым экспериментально подтвердить поведение, предсказанное Мохантами. Эксперименты проводились при низких температурах, так что электроны могли перемещаться, не сталкиваясь с колебаниями атомной решетки.
Группа Джереми Леви из Питтсбургского университета и Питтсбургского квантового института подтвердила квантовые транспортные свойства. С помощью синхротронной дифракции рентгеновских лучей Хуа Чжоу из Advanced Photon Source, пользовательского центра Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории, подтвердил, что кристаллографическая структура материала, стабилизированная в тонкопленочной фазе, дает уникальную полосу Дирака.
Сангмун Юн и Эндрю Лупини, оба из ORNL, провели эксперименты по сканирующей просвечивающей электронной микроскопии в ORNL, которые показали, что эпитаксиально выращенные тонкие пленки имеют резкие границы раздела между слоями и что транспортные свойства присущи напряженному ниобату стронция.
«До сих пор мы не могли полностью изучить физику экстремального квантового предела из-за трудностей с переводом всех электронов на один энергетический уровень, чтобы увидеть, что произойдет», – сказал Ли. "Теперь мы можем подтолкнуть все электроны к этому экстремальному квантовому пределу, применив всего несколько тесла магнитного поля в лаборатории, что ускорит наше понимание квантовой запутанности."