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“我们在一个系统中结合了相关性和拓扑学,”联合首席研究员 Jong Mok Ok 说,他与 ORNL 的首席研究员 Ho Nyung Lee 共同构思了这项研究。拓扑探测即使在几何对象发生变形(例如拉伸或挤压时)时也会保留的属性。“这项研究对于未来的信息和计算技术来说是必不可少的,”前 ORNL 博士后研究员 Ok 补充道。
在传统材料中,电子的移动是可预测的(例如,在绝缘体中昏昏欲睡或在金属中充满活力)。在电子彼此强烈相互作用的量子材料中,物理力导致电子以意想不到但相关的方式表现;一个电子的运动迫使附近的电子做出响应。
为了研究拓扑量子材料中的这种紧密的探戈,Ok 领导合成了一种极其稳定的过渡金属氧化物晶体薄膜。他和他的同事使用脉冲激光外延制造薄膜,并对其进行应变以压缩层并稳定块状晶体中不存在的相。科学家们是第一个稳定这一阶段的人。
使用基于理论的模拟,前 ORNL 博士后研究员 Narayan Mohanta 预测了应变材料的能带结构。“在紧张的环境中,我们研究的化合物铌酸锶,一种钙钛矿氧化物,改变了它的结构,创造了一种具有新电子能带结构的特殊对称性,”莫汉塔说。
如果量子力学系统的不同状态在测量时具有相同的能量值,则称为“简并”。电子同样可能填充每个简并状态。在这种情况下,特殊的对称性导致在单个能级中出现四种状态。
“由于特殊的对称性,退化受到保护,”莫汉塔说。“我们在这里发现的狄拉克电子色散是一种新材料。”他与冈本聪一起进行了计算,后者开发了一个模型来发现晶体对称性如何影响能带结构。
“将磁场下的量子材料想象成一栋 10 层楼高的建筑,每层楼都有居民,”Ok 假设。“每一层楼都是一个定义的、量化的能量水平。增加场强类似于拉动火警警报,将所有居民驱赶到底层,在安全的地方见面。实际上,它将所有狄拉克电子驱动到称为极端量子极限的地面能级。”
Lee 补充说:“被限制在这里,电子会聚集在一起。他们的互动急剧增加,他们的行为变得相互关联和复杂。”这种相关的电子行为与单粒子图像不同,为意外行为(例如电子纠缠)奠定了基础。在纠缠中,爱因斯坦称之为“远距离幽灵行动”,多个物体表现为一个。它是实现量子计算的关键。
“我们的目标是了解当电子进入极端量子极限时会发生什么,在那里我们会发现我们仍然不了解的现象,”Lee 说。“这是一个神秘的区域。”