Kuantum malzemelerini geliştiren yeni düz elektronik bantlar keşfedildi

Yayınlanan bir çalışmada Doğa İletişimi 19 Haziran, Rice Üniversitesi liderliğindeki bir bilim insanı ekibi Kimiao C Fermi düzeyinde düz elektronik bantların varlığını öngörüyor; bu, kuantum hesaplamanın ve elektronik cihazların yeni formlarını mümkün kılabilecek bir keşif.

Kuantum malzemeleri, elektronların benzersiz enerji durumlarını işgal ettiği kuantum mekaniği kurallarına uyar. Bu durumlar Fermi enerjisi adı verilen en yüksek basamağa sahip bir ölçek oluşturur.

Yüklü elektronlar birbirini iter ve birbirine bağlı şekillerde hareket eder. Si ekibi, elektron etkileşimlerinin Fermi seviyesinde yeni düz bantlar oluşturabildiğini ve bunların önemini güçlendirdiğini buldu.

Rice Üniversitesi’nden fizik ve astronomi profesörü Si, “Düz bantların çoğu Fermi enerjisinden uzakta bulunuyor, bu da onların maddenin özellikleri üzerindeki etkilerini sınırlıyor” dedi.

Normalde bir parçacığın enerjisi momentumuna bağlı olarak değişir. Ancak kuantum mekaniğinde elektronlar, momentumları değişse bile enerjilerinin sabit kaldığı kuantum girişimi sergileyebilir. Bunlara düz bantlar denir.

Si, “Düz elektronik bantlar elektronik etkileşimleri artırabilir, bu da yeni kuantum fazlarının ve alışılmadık düşük enerjili davranışların oluşmasına yol açabilir” dedi.

Si, bu bantların özellikle spesifik kristal kafeslere sahip d-elektron malzemeleri olarak adlandırılan geçiş metali iyonlarında arandığını ve genellikle benzersiz özellikler sergilediklerini söyledi.

Ekibin bulguları, bu malzemelerin kuantum bitleri, kübitler ve spintronikteki yeni uygulamalarına ilham verebilecek bu unsurları tasarlamanın yeni yollarını önermektedir. Araştırmaları, elektron etkileşimlerinin hareketsiz ve hareketli elektron durumlarını birbirine bağlayabildiğini gösteriyor.

Teorik bir model kullanan araştırmacılar, bu etkileşimlerin, hareketsiz parçacıkların Fermi enerjisinde hareketli elektronlarla etkileşime girerek hareket etme yeteneği kazandığı yeni bir tür Kondo etkisi yaratabileceğini gösterdi. Kondo etkisi, manyetik safsızlıklar nedeniyle bir metaldeki iletken elektronların saçılımını tanımlar ve bu durum, sıcaklıkla birlikte elektrik direncinde karakteristik bir değişime neden olur.

“Kuantum müdahalesi Kondo etkisini etkinleştirebilir ve önemli ilerleme kaydetmemize olanak sağlayabilir” dedi. Li Chen, Doktora Derecesi Rice’da öğrenci.

Chen, düz şeritlerin önemli bir özelliğinin topolojileri olduğunu söyledi. “Fermi enerjisiyle ilişkili düz şeritler, maddenin yeni kuantum hallerine ulaşmanın bir yolunu sağlıyor” diye ekledi.

Ekibin araştırması, bunun anyonları ve Weyl fermiyonlarını veya elektrik yükü taşıyan kütlesiz yarı parçacıklar ve fermiyonları içerdiğini ortaya koyuyor. Araştırmacılar, anyonların kübitler için umut verici ajanlar olduğunu ve Weyl fermiyonlarını barındıran materyallerin spin tabanlı elektroniklerde uygulama bulabileceğini buldu.

Çalışma aynı zamanda bu malzemelerin harici sinyallere karşı oldukça duyarlı olma ve gelişmiş kuantum kontrolü yeteneğine sahip olma potansiyelini de vurguluyor. Sonuçlar, düz alanların güçlü bir şekilde bağlı topolojik metaloidlere yol açabileceğini göstermektedir. Nispeten düşük sıcaklıklar Yüksek sıcaklıklarda ve hatta oda sıcaklığında çalışma potansiyeli.

Si, “Çalışmamız, düşük sıcaklık aralığının ötesinde çalışan yeni kuantum malzemeleri tasarlamak ve kontrol etmek için yüksek derecede reaktif ortamlarda düz alanların kullanılmasına yönelik teorik bir temel sağlıyor” dedi.

Bu araştırmaya katkıda bulunanlar arasında Fang Xie Ve Kendine bir bak, Sur, Rice Fizik ve Astronomi Doktora Sonrası Araştırmacıları; Rice Üniversitesi mezunu ve Donostia Uluslararası Fizik Merkezi’nde doktora sonrası araştırmacı olan Haoyu Hu; Silke Paschen, Viyana Teknoloji Üniversitesi’nden fizikçi; ve Stony Brook Üniversitesi ve Flatiron Enstitüsü’nde teorik fizikçi olan Jennifer Cano.