Físicos americanos e europeus demonstraram um novo método para prever se compostos metálicos provavelmente hospedarão estados topológicos que surgem de fortes interações eletrônicas.
Físicos da Rice University, liderando a pesquisa e colaborando com físicos da Stony Brook University, da Universidade de Tecnologia de Viena da Áustria (TU Wien), do Laboratório Nacional de Los Alamos, do Centro Internacional de Física de Donostia da Espanha e do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos da Alemanha, revelaram seus novo princípio de design em um estudo publicado online hoje na Nature Physics .

A equipe inclui cientistas da Rice, TU Wien e Los Alamos que descobriram o primeiro semimetal topológico fortemente correlacionado em 2017. Esse sistema e outros que o novo princípio de design procura identificar são amplamente procurados pela indústria de computação quântica porque os estados topológicos têm características imutáveis ​​que não podem ser apagado ou perdido por decoerência quântica.

"A paisagem de matéria topológica fortemente correlacionada é grande e em grande parte não investigada", disse o co-autor do estudo, Qimiao Si, professor de Física e Astronomia de Rice, Harry C. e Olga K. Wiess. “Esperamos que este trabalho ajude a orientar sua exploração”.

Em 2017, o grupo de pesquisa de Si em Rice realizou um estudo de modelo e encontrou um estado surpreendente da matéria que hospedava tanto caráter topológico quanto um exemplo por excelência de física de forte correlação chamada efeito Kondo, uma interação entre os momentos magnéticos de elétrons correlacionados confinados a átomos em um metal e os spins coletivos de bilhões de elétrons de condução de passagem. Ao mesmo tempo, uma equipe experimental liderada por Silke Paschen, da TU Wien, introduziu um novo material e relatou que ele tinha as mesmas propriedades da solução teórica. As duas equipes nomearam o estado fortemente correlacionado da matéria como um semimetal Weyl-Kondo. Si disse que a simetria cristalina desempenhou um papel importante nos estudos, mas a análise ficou no nível de prova de princípio.

“Nosso trabalho de 2017 se concentrou em uma espécie de átomo de hidrogênio de simetria cristalina”, disse Si, um físico teórico que passou mais de duas décadas estudando materiais fortemente correlacionados, como férmions pesados ​​e supercondutores não convencionais. "Mas preparou o terreno para projetar uma nova topologia metálica correlacionada."

Materiais quânticos fortemente correlacionados são aqueles em que as interações de bilhões e bilhões de elétrons dão origem a comportamentos coletivos como supercondutividade não convencional ou elétrons que se comportam como se tivessem mais de 1.000 vezes sua massa normal. Embora os físicos tenham estudado materiais topológicos por décadas, eles só recentemente começaram a investigar metais topológicos que hospedam interações fortemente correlacionadas.

"O design de materiais é muito difícil em geral, e o design de materiais fortemente correlacionados é ainda mais difícil", disse Si, membro da Rice Quantum Initiative e diretor do 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. + Explorar mais

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