Come si trovano nuovi materiali con proprietà molto specifiche, ad esempio proprietà elettroniche speciali necessarie per i computer quantistici? Questo è solitamente un compito molto complicato:vengono creati vari composti, in cui atomi potenzialmente promettenti sono disposti in determinate strutture cristalline, quindi il materiale viene esaminato, ad esempio nel laboratorio a bassa temperatura della TU Wien.

Ora, una cooperazione tra la Rice University (Texas), la TU Wien e altri istituti di ricerca internazionali è riuscita a rintracciare i materiali adeguati sul computer. Nuovi metodi teorici vengono utilizzati per identificare candidati particolarmente promettenti dal vasto numero di materiali possibili. Le misurazioni alla TU Wien hanno dimostrato che i materiali hanno effettivamente le proprietà richieste e il metodo funziona. Questo è un importante passo avanti per la ricerca sui materiali quantistici. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Nature Physics .

Semimetalli topologici

La Rice University in Texas e la TU Wien hanno già collaborato con molto successo negli ultimi anni alla ricerca di nuovi materiali quantistici con proprietà molto speciali:nel 2017 i due gruppi di ricerca hanno presentato il primo cosiddetto "Weyl-Kondo semimetal", un materiale che potrebbe potenzialmente svolgere un ruolo importante nella ricerca sulle tecnologie dei computer quantistici.

"Gli elettroni in un materiale del genere non possono essere descritti individualmente", spiega la prof.ssa Silke Bühler-Paschen dell'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien. "Ci sono interazioni molto forti tra questi elettroni, interferiscono tra loro come onde secondo le leggi della fisica quantistica e allo stesso tempo si respingono a causa della loro carica elettrica."

È proprio questa forte interazione che porta alle eccitazioni degli elettroni, che possono essere descritte solo usando metodi matematici molto elaborati. Nei materiali ora studiati, anche la topologia gioca un ruolo importante:è una branca della matematica che si occupa di proprietà geometriche che non vengono modificate dalla deformazione continua, come il numero di fori in una ciambella, che rimane lo stesso anche se il la ciambella è leggermente schiacciata.

Allo stesso modo, gli stati elettronici nel materiale possono rimanere stabili anche se il materiale è leggermente disturbato. Questo è esattamente il motivo per cui questi stati sono così utili per applicazioni pratiche come i computer quantistici.

Utilizzare il computer per identificare possibili candidati

Calcolare il comportamento di tutti gli elettroni fortemente interagenti nel materiale è impossibile:nessun supercomputer al mondo è in grado di farlo. Ma sulla base di risultati precedenti, è stato ora possibile sviluppare un principio di progettazione che utilizza calcoli di modelli semplificati combinati con considerazioni di simmetria matematica e un database di materiali noti per fornire suggerimenti su quale di questi materiali potrebbe avere le proprietà topologiche teoricamente previste.

"Questo metodo ha fornito tre di questi candidati, quindi abbiamo prodotto uno di questi materiali e lo abbiamo misurato nel nostro laboratorio a basse temperature", afferma Silke Bühler-Paschen. "E in effetti, queste prime misurazioni indicano che si tratta di un semimetallo topologico altamente correlato, il primo ad essere previsto su base teorica utilizzando un computer."

Un'importante chiave del successo è stata sfruttare le simmetrie del sistema in modo intelligente:"Quello che abbiamo postulato è che le eccitazioni fortemente correlate sono ancora soggette a requisiti di simmetria. Per questo motivo, posso dire molto sulla topologia di un sistema senza ricorrendo a calcoli ab initio che sono spesso richiesti ma sono particolarmente impegnativi per lo studio di materiali fortemente correlati", afferma Qimiao Si della Rice University. "Tutte le indicazioni indicano che abbiamo trovato un modo solido per identificare i materiali che hanno le caratteristiche che desideriamo". + Esplora ulteriormente

Metodo dimostrativo dei fisici per la progettazione di metalli topologici