Как найти новые материалы с очень специфическими свойствами — например, особыми электронными свойствами, необходимыми для квантовых компьютеров? Обычно это очень сложная задача: создаются различные соединения, в которых потенциально перспективные атомы располагаются в определенных кристаллических структурах, а затем материал исследуется, например, в низкотемпературной лаборатории TU Wien.
Теперь благодаря сотрудничеству между Университетом Райса (Техас), Техническим университетом Вены и другими международными исследовательскими институтами удалось найти подходящие материалы на компьютере. Новые теоретические методы используются для выявления наиболее перспективных кандидатов из огромного количества возможных материалов. Измерения в TU Wien показали, что материалы действительно обладают требуемыми свойствами, и метод работает. Это важный шаг вперед в исследованиях квантовых материалов. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics .
Топологические полуметаллы
Университет Райса в Техасе и Технический университет Вены в последние годы уже очень успешно сотрудничали в поиске новых квантовых материалов с очень особыми свойствами: в 2017 году две исследовательские группы представили первый так называемый «полуметалл Вейля-Кондо» — материал которые потенциально могут сыграть важную роль в исследованиях квантовых компьютерных технологий.
«Электроны в таком материале не могут быть описаны по отдельности», — объясняет профессор Зильке Бюлер-Пашен из Института физики твердого тела Венского технического университета. «Между этими электронами происходят очень сильные взаимодействия , они интерферируют друг с другом как волны в соответствии с законами квантовой физики, и в то же время они отталкивают друг друга из-за своего электрического заряда».
Именно это сильное взаимодействие приводит к возбуждению электронов, которое можно описать только с помощью очень сложных математических методов. В изучаемых сейчас материалах важную роль также играет топология — это раздел математики, изучающий геометрические свойства, которые не изменяются при непрерывной деформации, например, число дырок в бублике, которое остается неизменным, даже если пончик слегка сдавлен.
Точно так же электронные состояния в материале могут оставаться стабильными, даже если материал слегка возмущен. Именно поэтому эти состояния так полезны для практических приложений, таких как квантовые компьютеры.
Использование компьютера для выявления возможных кандидатов
Рассчитать поведение всех сильно взаимодействующих электронов в материале невозможно — на это не способен ни один суперкомпьютер в мире. Но на основе предыдущих результатов теперь стало возможным разработать принцип проектирования, который использует упрощенные модельные расчеты в сочетании с соображениями математической симметрии и базой данных известных материалов, чтобы дать предположения о том, какие из этих материалов могут иметь теоретически ожидаемые топологические свойства.
«Этот метод предоставил три таких кандидата, и затем мы изготовили один из этих материалов и измерили его в нашей лаборатории при низких температурах», — говорит Зильке Бюлер-Пашен. «И действительно, эти первые измерения указывают на то, что это высококоррелированный топологический полуметалл — первый, предсказанный на теоретической основе с помощью компьютера».
Важным ключом к успеху было умелое использование симметрии системы: «Мы постулировали, что сильно коррелированные возбуждения по-прежнему подчиняются требованиям симметрии. Благодаря этому я могу многое сказать о топологии системы без прибегая к расчетам ab initio, которые часто требуются, но особенно сложны для изучения сильно коррелированных материалов», — говорит Цимиао Си из Университета Райса. «Все указывает на то, что мы нашли надежный способ идентифицировать материалы, обладающие нужными нам характеристиками».
Дополнительная информация: Лей Чен и др. Топологический полуметалл, обусловленный сильными корреляциями и кристаллической симметрией, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01743-4
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com