Физики продемонстрировали метод конструирования топологических металлов
Американские и европейские физики продемонстрировали новый метод предсказания того, могут ли металлические соединения принимать топологические состояния, возникающие в результате сильных взаимодействий электронов.
Физики из Университета Райса, возглавляющие исследования и сотрудничающие с физиками из Университета Стоуни-Брук, Венского технологического университета (TU Wien) в Австрии, Лос-Аламосской национальной лаборатории, Международного физического центра Доностия в Испании и Института химической физики твердых тел им. Макса Планка в Германии, представили свои новый принцип дизайна в исследовании, опубликованном сегодня в Интернете в журнале Nature Physics.
В команду входят ученые из Райса, Технического университета Вены и Лос-Аламоса, которые в 2017 году открыли первый сильно коррелированный топологический полуметалл.
«Пейзаж сильно коррелированной топологической материи одновременно велик и в значительной степени неисследован», — сказал соавтор исследования Кимиао Си, профессор физики и астрономии Гарри К. Райс и Ольга К. Висс. «Мы ожидаем, что эта работа поможет направить его исследование».
В 2017 году исследовательская группа Си в Райсе провела модельное исследование и обнаружила удивительное состояние материи, обладающее как топологическим характером, так и типичным примером физики сильной корреляции, называемой эффектом Кондо, взаимодействием между магнитными моментами коррелированных электронов, ограниченными атомов в металле и коллективных спинов миллиардов проходящих электронов проводимости. В то же время экспериментальная группа под руководством Зильке Пашена из TU Wien представила новый материал и сообщила, что он обладает теми же свойствами, что и теоретическое решение. Две команды назвали сильно коррелированное состояние вещества полуметаллом Вейля-Кондо. Си сказал, что кристаллическая симметрия сыграла важную роль в исследованиях, но анализ остался на уровне доказательства принципа.
«Наша работа 2017 года была сосредоточена на своего рода атоме водорода кристаллической симметрии», — сказал Си, физик-теоретик, посвятивший более двух десятилетий изучению сильно коррелированных материалов, таких как тяжелые фермионы и нетрадиционные сверхпроводники. «Но это подготовило почву для разработки новой коррелированной металлической топологии».
Сильно коррелированные квантовые материалы — это материалы, в которых взаимодействия миллиардов и миллиардов электронов вызывают коллективное поведение, такое как нетрадиционная сверхпроводимость или электроны, которые ведут себя так, как будто их масса в 1000 раз превышает их нормальную массу. Хотя физики десятилетиями изучают топологические материалы, они только недавно начали исследовать топологические металлы, в которых происходят сильно коррелированные взаимодействия.
«Дизайн материалов в целом очень сложен, а проектирование сильно коррелированных материалов еще сложнее», — сказал Си, член Rice Quantum Initiative и директор Rice Center for Quantum Materials (RCQM).
Си и Дженнифер Кано из Stony Brook возглавили группу теоретиков, которые разработали основу для выявления перспективных материалов-кандидатов путем перекрестных ссылок на информацию в базе данных известных материалов с выводом теоретических расчетов, основанных на реалистичных кристаллических структурах. Используя этот метод, группа определила кристаллическую структуру и элементный состав трех материалов, которые были вероятными кандидатами на размещение топологических состояний, возникающих в результате эффекта Кондо.
«С тех пор, как мы разработали теорию топологической квантовой химии, давней целью было применить формализм к сильно коррелированным материалам», — сказал Кано, доцент кафедры физики и астрономии в Стоуни-Брук и научный сотрудник Центра вычислительных вычислений Института Флэтайрон. Квантовая физика. «Наша работа — первый шаг в этом направлении».
Си сказал, что прогностическая теоретическая основа возникла в результате осознания, которое он и Кано получили после импровизированного обсуждения, которое они организовали между своими соответствующими рабочими группами в Аспенском центре физики в 2018 году.
«Мы постулировали, что сильно коррелированные возбуждения по-прежнему подчиняются требованиям симметрии», — сказал он. «Благодаря этому я могу многое сказать о топологии системы, не прибегая к расчетам ab initio, которые часто требуются, но особенно сложны для изучения сильно коррелированных материалов».
Чтобы проверить гипотезу, теоретики Райса и Стоуни-Брук провели модельные исследования реалистичной кристаллической симметрии. Во время пандемии теоретические группы в Техасе и Нью-Йорке провели обширные виртуальные дискуссии с экспериментальной группой Пашена в Венском техническом университете. Сотрудничество разработало принцип проектирования коррелированных топологических полуметаллических материалов с той же симметрией, что и в исследуемой модели. Полезность принципа дизайна была продемонстрирована группой Пашена, которая изготовила одно из трех идентифицированных соединений, проверила его и подтвердила, что оно обладает предсказанными свойствами.
«Все указывает на то, что мы нашли надежный способ идентифицировать материалы, обладающие нужными нам характеристиками», — сказал Си.
