物理学家已经展示了一种预测金属化合物是否可能具有由强电子相互作用产生的拓扑状态的新方法。
来自莱斯大学、纽约熨斗研究所计算量子物理中心 (CCQ)、石溪大学、奥地利维也纳科技大学 (TU Wien)、洛斯阿拉莫斯国家实验室、西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心和德国马克斯普朗克研究所的研究人员对于固体化学物理，在 9 月 15 日在线发表于Nature Physics的一项研究中展示了他们的新设计原理。
“自从我们开发了拓扑量子化学理论以来，将形式主义应用于强相关材料一直是一个长期目标，”该研究的合著者、CCQ 的附属副研究科学家、石溪分校的助理教授 Jennifer Cano 说大学。 “我们的工作是朝着这个方向迈出的第一步。”
该团队包括在 2017 年发现第一个强相关拓扑半金属的科学家。该系统和新设计原则试图识别的其他系统受到量子计算行业的广泛追捧，因为拓扑状态具有无法擦除或因量子退相干而丢失的不可变特征。
“强相关拓扑物质的格局很大，而且很大程度上未经研究，”研究的合著者、莱斯大学的 Harry C. 和 Olga K. Wiess 物理学和天文学教授斯奇妙说。 “我们预计这项工作将有助于指导其探索。”
2017 年，赖斯的 Si 研究小组进行了一项模型研究，发现了一种令人惊讶的物质状态，它既具有拓扑特征，又具有称为近藤效应的强相关物理学的典型例子，相关电子的磁矩之间的相互作用仅限于金属中的原子和数十亿通过的传导电子的集体自旋。同时，由 TU Wien 的 Silke Paschen 领导的一个实验团队引入了一种新材料，并报告说它具有与理论解决方案相同的特性。两个团队将物质的强相关状态命名为Weyl-Kondo 半金属。 Si 说，晶体对称性在研究中发挥了重要作用，但分析仍停留在原理验证水平。
“我们 2017 年的工作集中在一种具有晶体对称性的氢原子上”——一个仍然显示基本要素的简化系统，他是一位理论物理学家，他花了 20 多年时间研究重费米子和非常规超导体等强相关材料。 “但它为设计新的相关金属拓扑结构奠定了基础。”
强相关量子材料是那些数十亿电子的相互作用产生集体行为的材料，如非常规的超导性或表现得好像它们的质量是正常质量的 1000 倍以上的电子。尽管物理学家研究拓扑材料已有数十年，但他们直到最近才开始研究具有强相关相互作用的拓扑金属。
“材料设计通常非常困难，设计强相关材料更难，”水稻量子倡议成员兼水稻量子材料中心(RCQM) 主任 Si 说。
Si 和 Cano 领导了一组理论家，他们开发了一个框架，通过交叉引用已知材料数据库中的信息以及基于真实晶体结构的理论计算输出来识别有前途的候选材料。使用该方法，该小组确定了三种材料的晶体结构和元素组成，这些材料可能是近藤效应产生的拓扑状态的候选材料。
Si 说，预测理论框架源于他和 Cano 在 2018 年在阿斯彭物理中心各自的工作组之间组织的即兴讨论会议后的认识。
“我们假设的是，强相关的激发仍然受制于对称性要求，”他说。 “正因为如此，我可以说很多关于系统拓扑的信息，而无需诉诸从头算计算，这些计算通常是必需的，但对于研究强相关材料尤其具有挑战性。”
为了验证这一假设，卡诺和赖斯的理论家对现实的晶体对称性进行了模型研究。在大流行期间，得克萨斯州和纽约州的理论团队与 Paschen 在 TU Wien 的实验小组进行了广泛的虚拟讨论。该合作开发了相关拓扑半金属材料的设计原则，其对称性与研究模型中使用的相同。 Paschen 的团队证明了设计原理的实用性，他们制造了三种已识别的化合物之一，对其进行了测试并验证了它是否具有预测的特性。
“所有迹象都表明，我们已经找到了一种可靠的方法来识别具有我们想要的特征的材料，”Si 说。
研究的合著者包括 Rice 的 Lei Chen、Chandan Setty 和 Haoyu Hu；洛斯阿拉莫斯国家实验室的 Sarah Grefe； TU Wien 的 Lukas Fischer、Xinlin Yan、Gaku Eguchi 和 Andrey Prokofiev；德国德累斯顿马克斯普朗克固体化学物理研究所和西班牙多诺斯蒂亚-圣塞巴斯蒂安多诺斯蒂亚国际物理中心的和 Maia Vergniory。