Исследователи разрабатывают новый класс квантово-критического металла, который может улучшить электронные устройства.

Новое исследование, проведенное Цимяо Си из Университета Райса, открыло новый класс квантово-критического металла, проливая свет на сложные взаимодействия электронов внутри квантовых материалов. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters 6 сентября, исследует эффекты взаимодействия Кондо и киральных спиновых жидкостей в определенных решетчатых структурах.

«Информация, полученная в результате этого открытия, может привести к разработке электронных устройств с чрезвычайной чувствительностью, обусловленной уникальными свойствами квантово-критических систем», — сказал Си, профессор физики и астрономии Гарри К. и Ольги К. Висс, директор Альянса Райс по экстремальным квантовым материалам.

Квантовые фазовые переходы

В основе этого исследования лежит концепция квантовых фазовых переходов. Подобно тому, как вода переходит из твердого состояния в жидкое и газообразное, электроны в квантовых материалах могут переходить из одной фазы в другую по мере изменения их окружения. Но в отличие от воды, эти электроны подчиняются правилам квантовой механики, что приводит к гораздо более сложному поведению.

Квантовая механика представляет два ключевых эффекта: квантовые флуктуации и электронную топологию. Даже при абсолютном нуле, когда тепловые флуктуации исчезают, квантовые флуктуации все еще могут вызывать изменения в организации электронов, приводящие к квантовым фазовым переходам. Эти переходы часто приводят к экстремальным физическим свойствам, известным как квантовая критичность.

Более того, квантовая механика наделяет электронами уникальное свойство, связанное с топологией — математической концепцией, которая при применении к электронным состояниям может вызывать необычное и потенциально полезное поведение.

Исследование было проведено группой Си в долгосрочном сотрудничестве с Силке Пашен, соавтором исследования и профессором физики Венского технологического университета, и ее исследовательской группой. Вместе они разработали теоретическую модель для изучения этих квантовых эффектов.

Теоретическая модель

Исследователи рассмотрели два типа электронов: одни движутся медленно, как машины, застрявшие в пробке, а другие быстро движутся по скоростной полосе. Хотя медленно движущиеся электроны кажутся неподвижными, их спины могут быть направлены в любом направлении.

«Обычно эти вращения образуют упорядоченный узор, но решетка, которую они занимают в нашей модели, не допускает такой аккуратности, что приводит к геометрическим нарушениям», — сказал Си.

Вместо этого спины образуют более текучую структуру, известную как квантовая спиновая жидкость, которая является киральной и выбирает направление во времени. Когда эта спиновая жидкость соединяется с быстродвижущимися электронами, возникает топологический эффект.

Исследовательская группа обнаружила, что эта связь также вызывает переход в фазу Кондо, где спины медленных электронов захватываются быстрыми. Исследование раскрывает сложное взаимодействие между электронной топологией и квантовыми фазовыми переходами.

Обычный электротранспорт

Когда электроны проходят через эти переходы, их поведение резко меняется, особенно в том, как они проводят электричество.

По словам Пашена, одно из наиболее важных открытий касается эффекта Холла, который описывает, как электрический ток изгибается под воздействием внешнего магнитного поля.

«Эффект Холла содержит компонент, который активируется электронной топологией», — сказала она. «Мы показываем, что этот эффект испытывает внезапный скачок через квантовую критическую точку».

Последствия для будущих технологий

Это открытие расширяет наше понимание квантовых материалов и открывает новые возможности для будущих технологий. По словам Си, важной частью открытия исследовательской группы является то, что эффект Холла резко реагирует на квантовый фазовый переход.