Un team guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha trovato un raro materiale quantistico in cui gli elettroni si muovono in modi coordinati, essenzialmente "ballare". Sforzare il materiale crea una struttura elettronica a bande che pone le basi per esotici, comportamento più strettamente correlato, simile al tango, tra gli elettroni di Dirac, che sono in particolare portatori di carica elettrica mobili che un giorno potrebbero consentire transistor più veloci. I risultati sono pubblicati sulla rivista Progressi scientifici .

"Abbiamo combinato correlazione e topologia in un unico sistema, " ha detto il co-investigatore principale Jong Mok Ok, che ha concepito lo studio con il ricercatore principale Ho Nyung Lee dell'ORNL. La topologia sonda le proprietà che vengono conservate anche quando un oggetto geometrico subisce una deformazione, come quando viene allungato o schiacciato. "La ricerca potrebbe rivelarsi indispensabile per le future tecnologie informatiche e informatiche, "aggiunse Ok, un ex borsista postdottorato ORNL.

Nei materiali convenzionali, gli elettroni si muovono in modo prevedibile (ad esempio, letargicamente negli isolanti o energeticamente nei metalli). Nei materiali quantistici in cui gli elettroni interagiscono fortemente tra loro, le forze fisiche fanno sì che gli elettroni si comportino in modi inaspettati ma correlati; il movimento di un elettrone costringe gli elettroni vicini a rispondere.

Per studiare questo tango stretto nei materiali quantistici topologici, Ok ha condotto alla sintesi di un film sottile cristallino estremamente stabile di un ossido di metallo di transizione. Lui e i suoi colleghi hanno realizzato il film utilizzando l'epitassia a laser pulsato e lo hanno teso per comprimere gli strati e stabilizzare una fase che non esiste nel cristallo sfuso. Gli scienziati sono stati i primi a stabilizzare questa fase.

Utilizzando simulazioni basate sulla teoria, co-investigatore principale Narayan Mohanta, un ex borsista dell'ORNL, previsto la struttura a bande del materiale deformato. "In un ambiente teso, il composto che abbiamo studiato, niobato di stronzio, un ossido di perovskite, cambia la sua struttura, creando una simmetria speciale con una nuova struttura a bande di elettroni, "ha detto Mohanta.

Diversi stati di un sistema quantomeccanico sono chiamati "degenerati" se hanno lo stesso valore di energia al momento della misurazione. Gli elettroni hanno la stessa probabilità di riempire ogni stato degenere. In questo caso, la speciale simmetria si traduce in quattro stati che si verificano in un unico livello di energia.

"A causa della speciale simmetria, la degenerazione è protetta, " Ha detto Mohanta. "La dispersione di elettroni di Dirac che abbiamo trovato qui è nuova in un materiale." Ha eseguito calcoli con Satoshi Okamoto, che ha sviluppato un modello per scoprire come la simmetria dei cristalli influenzi la struttura delle bande.

"Pensa a un materiale quantistico sotto un campo magnetico come un edificio di 10 piani con residenti su ogni piano, " Ok postulato. "Ogni piano è un definito, livello energetico quantizzato. Aumentare l'intensità del campo è come attivare un allarme antincendio che spinge tutti i residenti al piano terra per incontrarsi in un luogo sicuro. In realtà, porta tutti gli elettroni di Dirac a un livello di energia terrestre chiamato limite quantistico estremo".

Lee ha aggiunto, "Confinato qui, gli elettroni si accalcano insieme. Le loro interazioni aumentano drammaticamente, e il loro comportamento diventa interconnesso e complicato." Questo comportamento degli elettroni correlato, una partenza da un'immagine di una singola particella, pone le basi per comportamenti imprevisti, come l'entanglement elettronico. Nell'intreccio, uno stato che Einstein chiamò "azione spettrale a distanza, " più oggetti si comportano come uno. È la chiave per realizzare l'informatica quantistica.

"Il nostro obiettivo è capire cosa accadrà quando gli elettroni entreranno nel limite quantistico estremo, dove troviamo fenomeni che ancora non capiamo, " ha detto Lee. "Questa è una zona misteriosa."

Gli elettroni Speedy Dirac sono promettenti in materiali tra cui grafene, isolanti topologici e alcuni superconduttori non convenzionali. Il materiale unico di ORNL è un semimetallo Dirac, in cui le bande di valenza e di conduzione dell'elettrone si incrociano e questa topologia produce un comportamento sorprendente. Ok ha condotto le misurazioni delle forti correlazioni elettroniche del semimetallo di Dirac.

"Abbiamo trovato la più alta mobilità degli elettroni nei sistemi a base di ossido, " Ok ha detto. "Questo è il primo materiale Dirac a base di ossido che raggiunge il limite quantistico estremo."

Questo è di buon auspicio per l'elettronica avanzata. La teoria prevede che dovrebbero essere necessari circa 100, 000 tesla (un'unità di misura magnetica) affinché gli elettroni nei semiconduttori convenzionali raggiungano il limite quantistico estremo. I ricercatori hanno portato il loro materiale quantistico topologico ingegnerizzato a Eun Sang Choi del National High Magnetic Field Laboratory dell'Università della Florida per vedere cosa sarebbe necessario per portare gli elettroni al limite quantistico estremo. Là, ha misurato le oscillazioni quantistiche che mostrano che il materiale richiederebbe solo 3 tesla per raggiungere questo obiettivo.

Altre strutture specializzate hanno permesso agli scienziati di confermare sperimentalmente il comportamento previsto da Mohanta. Gli esperimenti sono avvenuti a basse temperature in modo che gli elettroni potessero muoversi senza essere urtati dalle vibrazioni del reticolo atomico. Il gruppo di Jeremy Levy dell'Università di Pittsburgh e del Pittsburgh Quantum Institute ha confermato le proprietà di trasporto quantistico. Con la diffrazione di raggi X di sincrotrone, Hua Zhou alla Sorgente Fotonica Avanzata, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE presso l'Argonne National Laboratory, ha confermato che la struttura cristallografica del materiale stabilizzata nella fase del film sottile ha prodotto l'esclusiva struttura a bande di Dirac. Sangmoon Yoon e Andrew Lupini, entrambi di ORNL, hanno condotto esperimenti di microscopia elettronica a trasmissione a scansione presso l'ORNL che hanno mostrato che i film sottili cresciuti epitassialmente avevano interfacce nette tra gli strati e che i comportamenti di trasporto erano intrinseci al niobato di stronzio teso.

"Fino ad ora, non abbiamo potuto esplorare completamente la fisica del limite quantistico estremo a causa delle difficoltà nello spingere tutti gli elettroni a un livello energetico per vedere cosa sarebbe successo, " disse Lee. "Ora, possiamo spingere tutti gli elettroni a questo limite quantistico estremo applicando solo pochi tesla di campo magnetico in un laboratorio, accelerando la nostra comprensione dell'entanglement quantistico".

Il titolo di Progressi scientifici l'articolo è "Correlated Oxide Dirac Semimetal in the Extreme Quantum Limit".