Naukowcy odkryli nową klasę metali krytycznych kwantowo, koncentrując się na wpływie kwantowych przejść fazowych i topologii elektronowej na zachowanie elektronów.
Badanie pokazuje, że sprzęganie Kondo i chiralne ciecze spinowe odgrywają kluczową rolę w tym procesie, co może mieć potencjalne konsekwencje dla wrażliwych urządzeń elektronicznych.
Odkrycie nowej klasy metali kwantowo-krytycznych
Nowe badanie prowadzone przez Qimiao Si z Uniwersytetu Rice ujawniło nową klasę metali krytycznych kwantowo, rzucając światło na złożone interakcje elektronów w materiałach kwantowych. Opublikowano niedawno w Listy z przeglądu fizycznegow badaniu zbadano wpływ sprzęgania Kondo i chiralnych cieczy spinowych na określone struktury sieciowe.
„Wgląd uzyskany dzięki temu odkryciu może doprowadzić do opracowania urządzeń elektronicznych o wyjątkowej czułości, napędzanych unikalnymi właściwościami układów krytycznych kwantowo” – powiedział Si, profesor fizyki i astronomii Harry C. i Olga K. Wiess oraz dyrektor z sojuszu Extreme Quantum Materials Alliance firmy Rice.
Kwantowe przejścia fazowe: złożone zachowania elektronów
U podstaw tych badań leży koncepcja kwantowych przejść fazowych. Podobnie jak woda zmienia się ze stanu stałego, ciekłego i gazowego, elektrony w materiałach kwantowych mogą przemieszczać się między różnymi fazami w miarę zmiany ich środowiska. Jednak w przeciwieństwie do wody elektrony te podlegają zasadom mechaniki kwantowej, co prowadzi do znacznie bardziej złożonych zachowań.
Mechanika kwantowa wprowadza dwa kluczowe efekty: fluktuacje kwantowe i topologię elektronową. Nawet o godz absolutne zero tam, gdzie zanikają fluktuacje termiczne, fluktuacje kwantowe mogą nadal powodować zmiany w organizacji elektronów, prowadząc do kwantowych przejść fazowych. Przejścia te często skutkują ekstremalnymi właściwościami fizycznymi znanymi jako krytyczność kwantowa.
Co więcej, mechanika kwantowa nadaje elektronom unikalną właściwość związaną z topologią – koncepcją matematyczną, która zastosowana do stanów elektronowych może powodować niezwykłe i potencjalnie przydatne zachowania.
Badanie przeprowadziła grupa Si w ramach długoterminowej współpracy z Silke Paschen, współautorką badania i profesorem fizyki na Politechnice Wiedeńskiej, oraz jej zespołem badawczym. Wspólnie opracowali model teoretyczny do badania tych efektów kwantowych.
Model teoretyczny: wzajemne oddziaływanie wolnych i szybkich elektronów
Badacze zastanawiali się dwa rodzaje elektronów: niektóre poruszają się powoli, jak samochody stojące w korku, a inne poruszają się szybko, szybkim pasem. Chociaż wolno poruszające się elektrony wydają się nieruchome, ich spiny mogą być skierowane w dowolnym kierunku.
„Zwykle te spiny tworzyłyby uporządkowany wzór, ale siatka, w której się znajdują, w naszym modelu nie pozwala na taką schludność, co prowadzi do frustracji geometrycznej” – powiedział Si.
Rola chiralnych cieczy wirowych i sprzężenia Kondo
Zamiast tego spiny tworzą bardziej płynny układ znany jako kwantowa ciecz spinowa, która jest chiralna i wybiera kierunek w czasie. Kiedy ta ciecz spinowa łączy się z szybko poruszającymi się elektronami, ma to efekt topologiczny.
Zespół badawczy odkrył, że to sprzężenie powoduje również przejście do fazy Kondo, w której spiny wolnych elektronów łączą się z szybkimi. Badanie ujawnia złożoną zależność między topologią elektronową a kwantowymi przejściami fazowymi.
Niezwykły transport elektryczny: efekt Halla
Gdy elektrony przemieszczają się przez te przejścia, ich zachowanie zmienia się dramatycznie, szczególnie pod względem przewodzenia prądu elektrycznego.
Jednym z najbardziej znaczących odkryć jest efekt Halla, który opisuje, jak prąd elektryczny zagina się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, powiedział Paschen.
„Efekt Halla zawiera komponent, który jest możliwy dzięki topologii elektronicznej” – powiedziała. „Pokazujemy, że efekt ten ulega nagłemu przeskokowi przez kwantowy punkt krytyczny”.
Konsekwencje dla technologii przyszłości
Odkrycie to pogłębia naszą wiedzę na temat materiałów kwantowych i otwiera nowe możliwości dla przyszłej technologii. Ważną częścią ustaleń zespołu badawczego jest to, że efekt Halla drastycznie reaguje na kwantowe przejście fazowe, powiedział Si.
„Dzięki topologii reakcja ta zachodzi w minutowym polu magnetycznym” – powiedział.
Niezwykłe właściwości mogą doprowadzić do opracowania nowych typów urządzeń elektronicznych, takich jak czujniki o ekstremalnej czułości, które mogą zrewolucjonizować takie dziedziny, jak diagnostyka medyczna czy monitorowanie środowiska.
Odniesienie: „Anomalous Hall Effect and Quantum Criticality in Geometrically Frustrated Heavy Fermion Metals”, Wenxin Ding, Sarah Grefe, Silke Paschen i Qimiao Si, 6 września 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.106504
Współautorami badania są Wenxin Ding z Uniwersytetu Anhui w Chinach, była doktorantka w grupie Si w Rice oraz absolwentka Rice Sarah Grefe ’17 z California State University.
Badania były wspierane przez amerykańską Narodową Fundację Naukową, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych, Fundację Roberta A. Welcha i stypendium Vannevar Bush Faculty Fellowship.
