Físicos estadounidenses y europeos han demostrado un nuevo método para predecir si es probable que los compuestos metálicos alberguen estados topológicos que surgen de fuertes interacciones de electrones.

Físicos de la Universidad de Rice, liderando la investigación y colaborando con físicos de la Universidad de Stony Brook, la Universidad Tecnológica de Viena de Austria (TU Wien), el Laboratorio Nacional de Los Álamos, el Centro Internacional de Física de Donostia de España y el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos de Alemania, dieron a conocer su nuevo principio de diseño en un estudio publicado en línea hoy en Nature Physics .

El equipo incluye científicos de Rice, TU Wien y Los Alamos que descubrieron el primer semimetal topológico fuertemente correlacionado en 2017. Ese sistema y otros que el nuevo principio de diseño busca identificar son ampliamente buscados por la industria de la computación cuántica porque los estados topológicos tienen características inmutables que no pueden borrarse o perderse debido a la decoherencia cuántica.

"El panorama de materia topológica fuertemente correlacionada es grande y en gran parte no investigado", dijo el coautor del estudio Qimiao Si, profesor de física y astronomía Harry C. y Olga K. Wiess de Rice. "Esperamos que este trabajo ayude a guiar su exploración".

En 2017, el grupo de investigación de Si en Rice llevó a cabo un estudio modelo y encontró un sorprendente estado de la materia que albergaba un carácter topológico y un ejemplo por excelencia de la física de correlación fuerte llamado efecto Kondo, una interacción entre los momentos magnéticos de electrones correlacionados confinados a átomos en un metal y los espines colectivos de miles de millones de electrones de conducción que pasan. Al mismo tiempo, un equipo experimental dirigido por Silke Paschen de TU Wien introdujo un nuevo material e informó que tenía las mismas propiedades que las de la solución teórica. Los dos equipos llamaron semimetal de Weyl-Kondo al estado fuertemente correlacionado de la materia. Si dijo que la simetría cristalina jugó un papel importante en los estudios, pero el análisis se mantuvo en el nivel de prueba de principio.

"Nuestro trabajo de 2017 se centró en una especie de átomo de hidrógeno de simetría cristalina", dijo Si, un físico teórico que pasó más de dos décadas estudiando materiales fuertemente correlacionados como fermiones pesados ​​y superconductores no convencionales. "Pero sentó las bases para diseñar una nueva topología metálica correlacionada".

Los materiales cuánticos fuertemente correlacionados son aquellos en los que las interacciones de miles de millones de electrones dan lugar a comportamientos colectivos como la superconductividad no convencional o electrones que se comportan como si tuvieran más de 1000 veces su masa normal. Aunque los físicos han estudiado materiales topológicos durante décadas, solo recientemente han comenzado a investigar metales topológicos que albergan interacciones fuertemente correlacionadas.

"El diseño de materiales es muy difícil en general, y el diseño de materiales fuertemente correlacionados es aún más difícil", dijo Si, miembro de la Iniciativa Rice Quantum y director del Centro Rice para Materiales Cuánticos (RCQM).

Si and Stony Brook's Jennifer Cano led a group of theorists that developed a framework for identifying promising candidate materials by cross-referencing information in a database of known materials with the output of theoretical calculations based on realistic crystal structures. Using the method, the group identified the crystal structure and elemental composition of three materials that were likely candidates for hosting topological states arising from the Kondo effect.

"Since we developed the theory of topological quantum chemistry, it has been a longstanding goal to apply the formalism to strongly correlated materials," said Cano, an assistant professor of physics and astronomy at Stony Brook and research scientist at the Flatiron Institute's Center for Computational Quantum Physics. "Our work is the first step in that direction."

Si said the predictive theoretical framework stemmed from a realization he and Cano had following an impromptu discussion session they organized between their respective working groups at the Aspen Center for Physics in 2018.

"What we postulated was that strongly correlated excitations are still subject to symmetry requirements," he said. "Because of that, I can say a lot about the topology of a system without resorting to ab initio calculations that are often required but are particularly challenging for studying strongly correlated materials."

To test the hypothesis, the theorists at Rice and Stony Brook carried out model studies for realistic crystalline symmetries. During the pandemic, the theoretical teams in Texas and New York had extensive virtual discussions with Paschen's experimental group at TU Wien. The collaboration developed the design principle for correlated topological-semimetal materials with the same symmetries as used in the model studied. The utility of the design principle was demonstrated by Paschen's team, which made one of the three identified compounds, tested it and verified that it hosted the predicted properties.

"All indications are that we have found a robust way to identify materials that have the features we want," Si said. + Explora más

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