اپتیک و کوانتوم

مواد کوانتومی توسط قوانین مکانیک کوانتومی کنترل می شوند، جایی که الکترون ها حالت های انرژی منحصر به فردی را اشغال می کنند. این حالت ها نردبانی را با بالاترین پله به نام انرژی فرمی تشکیل می دهند. الکترون ها در حال باردار شدن، یکدیگر را دفع می کنند و به روش های همبسته حرکت می کنند. تیم سی دریافتند که برهمکنش های الکترون می تواند نوارهای مسطح جدیدی را در سطح فرمی ایجاد کند و اهمیت آنها را افزایش دهد. سی، پروفسور هری سی و اولگا کی ویس، پروفسور فیزیک و نجوم در رایس، می‌گوید: «بیشتر باندهای مسطح دور از انرژی فرمی قرار دارند که تأثیر آن‌ها را بر خواص مواد محدود می‌کند».

به طور معمول، انرژی یک ذره با تکانه آن تغییر می کند. اما در مکانیک کوانتومی، الکترون‌ها می‌توانند تداخل کوانتومی را نشان دهند، جایی که انرژی آنها حتی زمانی که تکانه آنها تغییر می‌کند، ثابت می‌ماند. اینها به عنوان باندهای مسطح شناخته می شوند. سی گفت: «باندهای الکترونی مسطح می‌توانند برهمکنش‌های الکترونی را تقویت کنند و به طور بالقوه فازهای کوانتومی جدید و رفتارهای غیرعادی کم انرژی ایجاد کنند.» سی گفت که این باندها به ویژه در یون های فلزی واسطه به نام مواد الکترون d با شبکه های کریستالی خاص مورد توجه قرار می گیرند، جایی که اغلب خواص منحصر به فردی از خود نشان می دهند.

یافته‌های این تیم راه‌های جدیدی را برای طراحی این مواد پیشنهاد می‌کند که می‌تواند الهام‌بخش کاربردهای جدیدی برای این مواد در بیت‌های کوانتومی، کیوبیت‌ها و اسپینترونیک باشد. تحقیقات آنها نشان می دهد که برهمکنش های الکترون می تواند حالت های الکترونی متحرک را به هم مرتبط کند. با استفاده از یک مدل نظری، محققان نشان دادند که این برهمکنش‌ها می‌توانند نوع جدیدی از اثر Kondo را ایجاد کنند، جایی که ذرات بی‌حرکت با برهمکنش با الکترون‌های متحرک در انرژی فرمی، تحرک پیدا می‌کنند. اثر کوندو پراکندگی الکترون‌های رسانا را در فلز به دلیل ناخالصی‌های مغناطیسی توصیف می‌کند که منجر به تغییر مشخصه در مقاومت الکتریکی با دما می‌شود. لی چن، می‌گوید: «تداخل کوانتومی می‌تواند اثر کندو را فعال کند و به ما امکان می‌دهد پیشرفت چشمگیری داشته باشیم.  چن گفت، یکی از ویژگی های کلیدی باندهای مسطح توپولوژی آنها است. او می‌گوید: «نوارهای مسطح متصل به انرژی فرمی، وسیله‌ای برای درک حالت‌های کوانتومی جدید ماده هستند. تحقیقات این تیم نشان می‌دهد که این شامل آنیون‌ها و فرمیون‌های ویل یا شبه ذرات بی‌جرم و فرمیون‌هایی است که بار الکتریکی حمل می‌کنند. محققان دریافتند موادی که میزبان فرمیون‌های Weyl هستند ممکن است در الکترونیک مبتنی بر اسپین کاربرد داشته باشند. این مطالعه همچنین پتانسیل این مواد را برای پاسخگویی به سیگنال‌های خارجی و توانایی کنترل کوانتومی پیشرفته نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که باندهای مسطح می‌توانند به نیمه فلزات توپولوژیکی همبستگی قوی در دماهای نسبتاً پایین منجر شوند، که به طور بالقوه در دماهای بالا یا حتی دمای اتاق کار می‌کنند. سی گفت: «کار ما اساس نظری را برای استفاده از نوارهای مسطح در تنظیمات با تعامل قوی برای طراحی و کنترل مواد کوانتومی جدید که فراتر از محدوده دماهای پایین عمل می کنند، فراهم می کند.

More information: Lei Chen et al, Emergent flat band and topological Kondo semimetal driven by orbital-selective correlations, Nature Communications