Các nhà vật lý tại Đại học Rice đã kết nối hai lĩnh vực con của vật lý lượng tử bằng cách chứng minh rằng các trạng thái tôpô cụ thể, bất biến quan trọng đối với điện toán lượng tử có thể được đan xen với các trạng thái lượng tử thay đổi trong một số vật liệu nhất định, trong một nghiên cứu do Schimao dẫn đầu. Khám phá này cho phép hoạt động tiềm năng ở nhiệt độ cao hơn đáng kể, mang lại triển vọng chức năng to lớn.
Các nhà vật lý của Đại học Rice đã chứng minh rằng các trạng thái tôpô bất biến được săn đón nhiều trong điện toán lượng tử có thể bị vướng vào các trạng thái lượng tử bị thao túng khác trong một số vật liệu nhất định.
"Điều chúng tôi thấy ngạc nhiên là trong một mạng đặc biệt nơi các electron bị giữ lại, hành vi liên kết mạnh mẽ của các electron trong quỹ đạo nguyên tử d thực sự hoạt động giống như hệ thống quỹ đạo f của một số fermion nặng", các tác giả của một nghiên cứu liên quan trên tạp chí Science Advances cho biết.
Khám phá bất ngờ này cung cấp cầu nối giữa các lĩnh vực vật lý vật chất ngưng tụ tập trung vào các đặc tính nổi bật khác nhau của vật liệu lượng tử. Ví dụ, trong các vật liệu tôpô, các mô hình vướng víu lượng tử tạo ra các trạng thái "được bảo vệ", bất biến có thể được sử dụng trong điện toán lượng tử và điện tử học spin. Sự vướng víu của hàng tỷ electron trong các vật liệu tương quan mạnh có thể tạo ra các hành vi như tính siêu dẫn độc đáo và dao động từ trường kéo dài trong chất lỏng spin lượng tử.
Trong nghiên cứu này, Shi Qimiao và đồng tác giả Haoyu Hu (một cựu sinh viên tốt nghiệp trong nhóm nghiên cứu của ông) đã xây dựng và thử nghiệm một mô hình lượng tử để khám phá sự ghép electron trong các sắp xếp mạng "không ổn định", giống như các mô hình được tìm thấy trong kim loại và bán kim loại có đặc tính "dải phẳng", cho thấy rằng các electron bị kẹt và các hiệu ứng tương quan mạnh được khuếch đại.
Nghiên cứu này là một phần trong nỗ lực không ngừng nghỉ của Skimmion, người đã được trao tặng Học bổng Vannevar Bush danh giá của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ vào tháng 7, để xác nhận các khuôn khổ lý thuyết nhằm kiểm soát các trạng thái tôpô của vật chất.
Trong nghiên cứu này, Shi Qimiao và Hu Haoyu đã chỉ ra rằng các electron từ quỹ đạo nguyên tử d có thể trở thành một phần của quỹ đạo phân tử lớn hơn được chia sẻ bởi nhiều nguyên tử trong mạng tinh thể. Nghiên cứu cũng cho thấy các electron trong quỹ đạo phân tử có thể bị vướng víu với các electron bị cản trở khác, tạo ra hiệu ứng tương quan mạnh, điều này rất quen thuộc với Si, vốn đã nghiên cứu vật liệu fermion nặng trong nhiều năm.
“Đây là những hệ thống điện tử hoàn toàn,” Schimiao nói. "Trong thế giới d-electron, nó giống như có một đường cao tốc có nhiều làn đường. Trong thế giới f-electron, bạn có thể nghĩ các electron chuyển động thành hai lớp. Một lớp giống như đường cao tốc d-electron, còn lớp kia giống như đường đất, di chuyển rất chậm."
Si nói rằng hệ thống điện tử f có những ví dụ rất rõ ràng về vật lý tương quan mạnh, nhưng chúng không phù hợp để sử dụng hàng ngày.
“Đường đất quá xa đường cao tốc,” anh nói. "Tác động của đường cao tốc là rất nhỏ, nghĩa là quy mô năng lượng nhỏ và nhiệt độ vật lý rất thấp. Điều đó có nghĩa là bạn cần đạt đến nhiệt độ khoảng 10 Kelvin để thấy được tác động của việc ghép nối. Điều đó không xảy ra trong thế giới điện tử. Trên đường cao tốc nhiều làn, mọi thứ được ghép nối rất hiệu quả."
Ngay cả khi dải tần phẳng, hiệu suất ghép vẫn tồn tại. Si ví nó giống như một làn đường trên đường cao tốc trở nên kém hiệu quả và chậm như đường đất.
“Dù đã trở thành đường đất nhưng vẫn chia sẻ đẳng cấp với các làn đường khác vì đều xuất phát từ đường D”, ông Si nói. "Đó thực sự là một con đường đất, nhưng nó gắn kết hơn, và điều đó chuyển thành vật lý ở nhiệt độ cao hơn. Điều đó có nghĩa là tôi có thể có tất cả các cơ sở vật lý tinh vi dựa trên các electron f, mà tôi có các mô hình được xác định rõ ràng và rất nhiều trực giác từ nhiều năm nghiên cứu, nhưng thay vì phải đạt đến 10 Kelvin, tôi có thể làm việc ở 200 Kelvin, thậm chí có thể là 300 Kelvin, hoặc nhiệt độ phòng. Vì vậy, từ góc độ chức năng, nó rất hứa hẹn."