莱斯大学(Rice University)的物理学家们在一项由齐淼·斯(Qimiao Si)领导的研究中，通过证明特定的不可改变的拓扑状态(对量子计算至关重要)可以与某些材料中的可变量子状态交织在一起，从而连接了两个量子物理学子领域。这一发现使得在更高的温度下进行操作成为可能，提供了巨大的功能前景。
莱斯大学的物理学家已经证明，量子计算高度追求的不可变拓扑态可以与某些材料中的其他可操纵量子态纠缠在一起。
“我们发现的令人惊讶的事情是，在一种特殊的晶格中，电子被卡住了，电子在d原子轨道上的强耦合行为实际上就像一些重费米子的f轨道系统一样，”Qimiao Si说，他是《科学进展》上一篇关于这项研究的研究的合著者。
连接量子物理的子领域
这一意想不到的发现在凝聚态物理的子领域之间架起了一座桥梁，这些子领域专注于量子材料的不同涌现特性。例如，在拓扑材料中，量子纠缠模式产生“受保护的”不可变状态，可用于量子计算和自旋电子学。在强相关材料中，数十亿电子的纠缠产生了非常规的超导性和量子自旋液体中持续的磁波动等行为。
在这项研究中，Si和他研究小组的前研究生胡浩宇建立并测试了一个量子模型，以探索“受挫”晶格排列中的电子耦合，就像在金属和半金属中发现的那些具有“平坦带”的电子，电子被卡住并且强相关效应被放大的状态。
祁淼是莱斯大学Harry C. and Olga K. Wiess物理学和天文学教授，也是莱斯量子材料中心主任。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University
这项研究是Si正在进行的努力的一部分，他在7月份获得了国防部著名的Vannevar Bush教员奖学金，致力于验证控制物质拓扑状态的理论框架。
电子相互作用的意义
在这项研究中，Si和Hu表明来自d原子轨道的电子可以成为晶格中几个原子共享的更大的分子轨道的一部分。这项研究还表明，分子轨道上的电子可能会与其他受挫的电子纠缠在一起，产生强烈的相关效应，这对Si来说非常熟悉，他花了数年时间研究重费米子材料。
“这些完全是d电子系统，”Si说。“在d电子的世界里，就像你有一条多车道的高速公路。在f电子的世界里，你可以想象电子在两层中运动。一个像d电子高速公路，另一个像土路，移动非常缓慢。”
Si说，f-电子系统拥有非常清晰的强相关物理例子，但它们不适合日常使用。
“这条土路离高速公路太远了，”他说。“高速公路的影响非常小，这转化为微小的能量尺度和非常低温的物理。这意味着你需要在10开尔文左右的温度下才能看到耦合的效果。
但在d电子的世界里却不是这样。在那里的多车道高速公路上，东西之间的耦合非常有效。”
即使存在平坦的波段，这种耦合效率仍然存在。Si将其比作高速公路上的一条车道变得像f-电子泥路一样低效和缓慢。
“即使它已经变成了一条土路，它仍然与其他车道共享地位，因为它们都来自d轨道，”斯说。“这实际上是一条土路，但它的耦合性要强得多，这就转化为更高温度下的物理现象。
“这意味着我可以拥有所有精致的，基于f电子的物理学，我有定义良好的模型和多年研究的很多直觉，但不是必须达到10开尔文，我可以在200开尔文，甚至可能是300开尔文或室温下工作。”因此，从功能的角度来看，它是非常有前途的。”
参考文献:“耦合拓扑平面和宽频带:准粒子的形成和破坏”，胡浩宇和斯奇淼，2023年7月19日，《科学进展》。DOI: 10.1126 / sciadv.adg0028
Si是赖斯大学物理学和天文学的Harry C. and Olga K. Wiess教授，赖斯量子计划的成员和赖斯量子材料中心(RCQM)的主任。
这项研究由能源部、空军科学研究办公室、韦尔奇基金会资助，并得到了美国国家科学基金会通过计算和访问设施的支持。
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