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I fisici statunitensi ed europei hanno dimostrato un nuovo metodo per prevedere se è probabile che i composti metallici ospitino stati topologici che derivano da forti interazioni di elettroni.
I fisici della Rice University, che guidano la ricerca e collaborano con i fisici della Stony Brook University, della Vienna University of Technology (TU Wien), del Los Alamos National Laboratory, del Donostia International Physics Center in Spagna e del Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids della Germania, hanno presentato il loro nuovo principio di progettazione in uno studio pubblicato online oggi su Nature Physics .
Il team comprende scienziati di Rice, TU Wien e Los Alamos che hanno scoperto il primo semimetallo topologico fortemente correlato nel 2017. Quel sistema e altri che il nuovo principio di progettazione cerca di identificare sono ampiamente ricercati dall'industria del calcolo quantistico perché gli stati topologici hanno caratteristiche immutabili che non possono essere cancellato o perso a causa della decoerenza quantistica.
"Il panorama della materia topologica fortemente correlata è sia ampio che in gran parte non studiato", ha affermato il coautore dello studio Qimiao Si, Harry C. di Rice e Olga K. Wiess Professore di Fisica e Astronomia. "Ci aspettiamo che questo lavoro aiuti a guidarne l'esplorazione."
Nel 2017, il gruppo di ricerca di Si alla Rice ha condotto uno studio modello e ha scoperto uno stato sorprendente della materia che ospitava sia il carattere topologico che un esempio per eccellenza di fisica a forte correlazione chiamato effetto Kondo, un'interazione tra i momenti magnetici di elettroni correlati confinati a atomi in un metallo e gli spin collettivi di miliardi di elettroni di conduzione di passaggio. Contemporaneamente, un team sperimentale guidato da Silke Paschen della TU Wien ha introdotto un nuovo materiale e ha riferito che aveva le stesse proprietà di quelle della soluzione teorica. Le due squadre hanno chiamato lo stato della materia fortemente correlato un semimetallo Weyl-Kondo. Si ha affermato che la simmetria cristallina ha svolto un ruolo importante negli studi, ma l'analisi è rimasta al livello di prova di principio.
"Il nostro lavoro del 2017 si è concentrato su una sorta di atomo di idrogeno di simmetria cristallina", ha affermato Si, un fisico teorico che ha trascorso più di due decenni a studiare materiali fortemente correlati come fermioni pesanti e superconduttori non convenzionali. "Ma ha posto le basi per la progettazione di una nuova topologia metallica correlata."
I materiali quantistici fortemente correlati sono quelli in cui le interazioni di miliardi e miliardi di elettroni danno origine a comportamenti collettivi come la superconduttività non convenzionale o gli elettroni che si comportano come se avessero più di 1.000 volte la loro massa normale. Sebbene i fisici abbiano studiato i materiali topologici per decenni, solo di recente hanno iniziato a studiare i metalli topologici che ospitano interazioni fortemente correlate.
"La progettazione dei materiali è molto difficile in generale, e la progettazione di materiali fortemente correlati è ancora più difficile", ha affermato Si, membro della Rice Quantum Initiative e direttore del Rice Center for Quantum Materials (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. + Esplora ulteriormente
