Un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía ha encontrado un material cuántico raro en el que los electrones se mueven de forma coordinada. esencialmente "bailar". Al filtrar el material se crea una estructura de banda electrónica que prepara el escenario para exóticos, comportamiento más estrechamente correlacionado, similar al tango, entre los electrones de Dirac, que son especialmente portadores de carga eléctrica móviles que algún día podrán habilitar transistores más rápidos. Los resultados se publican en la revista Avances de la ciencia .

"Combinamos correlación y topología en un sistema, "dijo el co-investigador principal Jong Mok Ok, quien concibió el estudio con el investigador principal Ho Nyung Lee de ORNL. La topología prueba las propiedades que se conservan incluso cuando un objeto geométrico se deforma, como cuando se estira o se aprieta. "La investigación podría resultar indispensable para las futuras tecnologías de la información y la computación, "agregó Ok, ex becario postdoctoral de la ORNL.

En materiales convencionales, los electrones se mueven de manera predecible (por ejemplo, letárgicamente en aisladores o energéticamente en metales). En materiales cuánticos en los que los electrones interactúan fuertemente entre sí, las fuerzas físicas hacen que los electrones se comporten de formas inesperadas pero correlacionadas; El movimiento de un electrón fuerza a los electrones cercanos a responder.

Para estudiar este tango apretado en materiales cuánticos topológicos, Ok dirigió la síntesis de una fina película cristalina extremadamente estable de un óxido de metal de transición. Él y sus colegas hicieron la película usando epitaxia de láser pulsado y la tensaron para comprimir las capas y estabilizar una fase que no existe en el cristal a granel. Los científicos fueron los primeros en estabilizar esta fase.

Usando simulaciones basadas en la teoría, el co-investigador principal Narayan Mohanta, ex becario postdoctoral de la ORNL, predijo la estructura de la banda del material tensado. "En el ambiente tenso, el compuesto que investigamos, niobato de estroncio, un óxido de perovskita, cambia su estructura, creando una simetría especial con una nueva estructura de bandas de electrones, "Dijo Mohanta.

Los diferentes estados de un sistema de mecánica cuántica se denominan "degenerados" si tienen el mismo valor energético en la medición. Es igualmente probable que los electrones llenen cada estado degenerado. En este caso, la simetría especial da como resultado cuatro estados que ocurren en un solo nivel de energía.

"Debido a la simetría especial, la degeneración está protegida, "Dijo Mohanta." La dispersión de electrones de Dirac que encontramos aquí es nueva en un material ". Realizó cálculos con Satoshi Okamoto, quien desarrolló un modelo para descubrir cómo la simetría cristalina influye en la estructura de la banda.

"Piense en un material cuántico bajo un campo magnético como un edificio de 10 pisos con residentes en cada piso, "Ok posited". Cada piso es un definido, nivel de energía cuantificado. Aumentar la intensidad del campo es similar a activar una alarma de incendio que lleva a todos los residentes a la planta baja para reunirse en un lugar seguro. En realidad, impulsa a todos los electrones de Dirac a un nivel de energía del suelo llamado límite cuántico extremo ".

Lee agregó, "Confinado aquí, los electrones se apiñan. Sus interacciones aumentan dramáticamente, y su comportamiento se vuelve interconectado y complicado ". Este comportamiento de electrones correlacionados, una desviación de una imagen de una sola partícula, prepara el escenario para un comportamiento inesperado, como el entrelazamiento de electrones. Enredado un estado que Einstein llamó "acción espeluznante a distancia, “múltiples objetos se comportan como uno solo. Es clave para realizar la computación cuántica.

"Nuestro objetivo es comprender qué sucederá cuando los electrones entren en el límite cuántico extremo, donde encontramos fenómenos que aún no entendemos, ", Dijo Lee." Esta es un área misteriosa ".

Los electrones rápidos de Dirac son prometedores en materiales como el grafeno, aislantes topológicos y ciertos superconductores no convencionales. El material único de ORNL es un semimetal de Dirac, en el que se cruzan bandas de conducción y valencia de electrones y esta topología produce un comportamiento sorprendente. Ok llevó las mediciones de las fuertes correlaciones de electrones del semimetal de Dirac.

"Encontramos la mayor movilidad de electrones en sistemas basados ​​en óxidos, "Ok dijo." Este es el primer material Dirac basado en óxido que alcanza el límite cuántico extremo ".

Eso es un buen augurio para la electrónica avanzada. La teoría predice que debería tomar alrededor de 100, 000 tesla (una unidad de medida magnética) para que los electrones en semiconductores convencionales alcancen el límite cuántico extremo. Los investigadores llevaron su material cuántico topológico diseñado por deformación a Eun Sang Choi del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de la Universidad de Florida para ver qué se necesitaría para llevar los electrones al límite cuántico extremo. Allí, Midió las oscilaciones cuánticas mostrando que el material requeriría solo 3 tesla para lograrlo.

Otras instalaciones especializadas permitieron a los científicos confirmar experimentalmente el comportamiento que predijo Mohanta. Los experimentos ocurrieron a bajas temperaturas para que los electrones pudieran moverse sin ser golpeados por las vibraciones de la red atómica. El grupo de Jeremy Levy en la Universidad de Pittsburgh y el Instituto Cuántico de Pittsburgh confirmaron las propiedades del transporte cuántico. Con difracción de rayos X sincrotrón, Hua Zhou en la fuente de fotones avanzada, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Argonne, confirmó que la estructura cristalográfica del material estabilizada en la fase de película delgada produjo la estructura de banda única de Dirac. Sangmoon Yoon y Andrew Lupini, ambos de ORNL, llevaron a cabo experimentos de microscopía electrónica de transmisión de barrido en ORNL que mostraron que las películas delgadas crecidas epitaxialmente tenían interfaces nítidas entre las capas y que los comportamientos de transporte eran intrínsecos al niobato de estroncio tensado.

"Hasta ahora, no pudimos explorar completamente la física del límite cuántico extremo debido a las dificultades para empujar todos los electrones a un nivel de energía para ver qué sucedería, "Dijo Lee." Ahora, podemos empujar todos los electrones a este límite cuántico extremo aplicando solo unos pocos tesla de campo magnético en un laboratorio, acelerando nuestra comprensión del entrelazamiento cuántico ".

El título de la Avances de la ciencia el artículo es "Semimetal de Dirac de óxido correlacionado en el límite cuántico extremo".