極端量子極限下鈣鈦礦氧化物中的相關電子探戈

“我們在一個系統(tǒng)中結(jié)合了相關性和拓撲學，”聯(lián)合首席研究員 Jong Mok Ok 說，他與 ORNL 的首席研究員 Ho Nyung Lee 共同構(gòu)思了這項研究。拓撲探測即使在幾何對象發(fā)生變形(例如拉伸或擠壓時)時也會保留的屬性。“這項研究對于未來的信息和計算技術(shù)來說是必不可少的，”前 ORNL 博士后研究員 Ok 補充道。

在傳統(tǒng)材料中，電子的移動是可預測的(例如，在絕緣體中昏昏欲睡或在金屬中充滿活力)。在電子彼此強烈相互作用的量子材料中，物理力導致電子以意想不到但相關的方式表現(xiàn);一個電子的運動迫使附近的電子做出響應。

為了研究拓撲量子材料中的這種緊密的探戈，Ok 領導合成了一種極其穩(wěn)定的過渡金屬氧化物晶體薄膜。他和他的同事使用脈沖激光外延制造薄膜，并對其進行應變以壓縮層并穩(wěn)定塊狀晶體中不存在的相?？茖W家們是第一個穩(wěn)定這一階段的人。

使用基于理論的模擬，前 ORNL 博士后研究員 Narayan Mohanta 預測了應變材料的能帶結(jié)構(gòu)。“在緊張的環(huán)境中，我們研究的化合物鈮酸鍶，一種鈣鈦礦氧化物，改變了它的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了一種具有新電子能帶結(jié)構(gòu)的特殊對稱性，”莫漢塔說。

如果量子力學系統(tǒng)的不同狀態(tài)在測量時具有相同的能量值，則稱為“簡并”。電子同樣可能填充每個簡并狀態(tài)。在這種情況下，特殊的對稱性導致在單個能級中出現(xiàn)四種狀態(tài)。

“由于特殊的對稱性，退化受到保護，”莫漢塔說。“我們在這里發(fā)現(xiàn)的狄拉克電子色散是一種新材料。”他與岡本聰一起進行了計算，后者開發(fā)了一個模型來發(fā)現(xiàn)晶體對稱性如何影響能帶結(jié)構(gòu)。

“將磁場下的量子材料想象成一棟 10 層樓高的建筑，每層樓都有居民，”Ok 假設。“每一層樓都是一個定義的、量化的能量水平。增加場強類似于拉動火警警報，將所有居民驅(qū)趕到底層，在安全的地方見面。實際上，它將所有狄拉克電子驅(qū)動到稱為極端量子極限的地面能級。”

Lee 補充說：“被限制在這里，電子會聚集在一起。他們的互動急劇增加，他們的行為變得相互關聯(lián)和復雜。”這種相關的電子行為與單粒子圖像不同，為意外行為(例如電子糾纏)奠定了基礎。在糾纏中，愛因斯坦稱之為“遠距離幽靈行動”，多個物體表現(xiàn)為一個。它是實現(xiàn)量子計算的關鍵。

“我們的目標是了解當電子進入極端量子極限時會發(fā)生什么，在那里我們會發(fā)現(xiàn)我們?nèi)匀徊涣私獾默F(xiàn)象，”Lee 說。“這是一個神秘的區(qū)域。”

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