Scoperta di nuove bande elettroniche piatte che migliorano i materiali quantistici

In uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura 19 giugno, un team di scienziati guidati dalla Rice University Kimiao C Prevede l’esistenza di bande elettroniche piatte al livello di Fermi, una scoperta che potrebbe consentire nuove forme di calcolo quantistico e dispositivi elettronici.

I materiali quantistici obbediscono alle regole della meccanica quantistica, dove gli elettroni occupano stati energetici unici. Questi stati formano una scala con il gradino più alto chiamato energia di Fermi.

Gli elettroni carichi si respingono a vicenda e si muovono in modi interconnessi. Il team del Si ha scoperto che le interazioni degli elettroni possono creare nuove bande piatte al livello di Fermi, rafforzandone l’importanza.

“La maggior parte delle bande piatte si trovano lontano dall’energia di Fermi, il che limita il loro effetto sulle proprietà della materia”, ha detto Si, professore di fisica e astronomia alla Rice University.

Normalmente, l’energia di una particella cambia con la sua quantità di moto. Ma nella meccanica quantistica, gli elettroni possono mostrare interferenze quantistiche, per cui la loro energia rimane piatta anche quando la loro quantità di moto cambia. Queste sono conosciute come bande piatte.

“Le bande elettroniche piatte possono migliorare le interazioni elettroniche, che potrebbero portare alla creazione di nuove fasi quantistiche e comportamenti insoliti a bassa energia”, ha detto Si.

Queste bande sono particolarmente ricercate negli ioni dei metalli di transizione chiamati materiali d-elettroni con reticoli cristallini specifici, dove spesso mostrano proprietà uniche, ha detto Si.

Le scoperte del team suggeriscono nuovi modi per progettare questi elementi, che potrebbero ispirare nuove applicazioni di questi materiali in bit quantistici, qubit e spintronica. La loro ricerca mostra che le interazioni degli elettroni possono collegare stati di elettroni immobili e mobili.

Utilizzando un modello teorico, i ricercatori hanno dimostrato che queste interazioni potrebbero creare un nuovo tipo di effetto Kondo, in cui le particelle immobili acquisiscono la capacità di muoversi interagendo con gli elettroni in movimento all’energia di Fermi. L’effetto Kondo descrive la dispersione degli elettroni di conduzione in un metallo dovuta alle impurità magnetiche, con conseguente variazione caratteristica della resistenza elettrica con la temperatura.

“L’interferenza quantistica potrebbe consentire l’effetto Kondo, permettendoci di compiere progressi significativi”, ha affermato. Li Chen, un dottorato di ricerca. Studente alla Rice.

Una caratteristica fondamentale dei domini flat è la loro topologia, ha affermato Chen. “Le bande piatte stabilizzate all’energia di Fermi forniscono un modo per raggiungere nuovi stati quantistici della materia”, ha affermato.

La ricerca del team rivela che questo include anioni e fermioni di Weyl, o quasiparticelle e fermioni privi di massa che trasportano una carica elettrica. I ricercatori hanno scoperto che gli anioni sono agenti promettenti per i qubit e i materiali che ospitano i fermioni di Weyl potrebbero trovare applicazioni nell’elettronica basata sullo spin.

Lo studio evidenzia anche il potenziale di questi materiali per essere altamente reattivi ai segnali esterni e capaci di un controllo quantistico avanzato. I risultati indicano che i domini piatti possono dare origine a metalloidi topologici fortemente legati Temperature relativamente basse Potenziale per funzionare a temperature elevate o addirittura a temperatura ambiente.

“Il nostro lavoro fornisce una base teorica per l’utilizzo di domini piatti in ambienti altamente reattivi per progettare e controllare nuovi materiali quantistici che operano oltre l’intervallo di bassa temperatura”, ha affermato Si.

Tra i contributori di questa ricerca Zanna Xie E Guardati, Sur, Rice Post-doctoral Fellows in Fisica e Astronomia; Haoyu Hu, laureato alla Rice University e ricercatore post-dottorato presso il Centro Internazionale di Fisica di Donostia; Silke Paschen, fisico dell’Università della Tecnologia di Vienna; e Jennifer Cano, fisica teorica della Stony Brook University e del Flatiron Institute.