揭示覆雜量子材料中意想不到的性質

一項新的研究描述了複雜量子材料中先前意想不到的性質。利用賓夕法尼亞大學開發的一項新技術，這些發現對未來量子器件和應用的發展具有啟示意義。來源：賓夕法尼亞大學

一項新的研究描述了一種被稱為Ta的複雜量子材料先前意想不到的性質2尼斯5.利用賓夕法尼亞大學開發的一項新技術，這些發現對未來量子器件和應用的發展具有啟示意義。這項研究發表於科學進步這項研究由研究生哈什瓦爾德恩·喬格主持，由瑞特什·阿加瓦爾教授與賓夕法尼亞大學的尤金·梅勒和來自印度科學教育與研究所的魯米尼塔·哈納加合作進行。

雖然近年來量子資訊科學領域取得了進步，但量子計算機的廣泛應用仍然有限。一個挑戰是隻能使用少量的“量子位”，即在量子計算機中執行計算的單位，因為目前的平臺設計不允許多個量子位相互“交談”。為了應對這一挑戰，材料需要在量子糾纏，當量子位元的狀態保持聯絡時，無論它們彼此之間的距離如何，以及相干性如何，或者當一個系統能夠保持這種糾纏時，就會發生這種情況。

在這項研究中，Jog觀察了Ta2尼斯5，一種具有很強電子關聯性的材料系統，對量子器件很有吸引力。強電子關聯意味著材料的原子結構與其電子性質和電子之間發生的強相互作用有關。

學習Ta2尼斯5，Jog使用了阿加瓦爾實驗室開發的一種稱為迴圈光電流效應（circular photogencic effect）的技術的改進，在這種技術中，光被設計成攜帶電場，能夠探測不同的材料特性。這項技術在過去幾年裡不斷髮展和反覆，它以傳統物理和材料科學實驗所不可能的方式揭示了對諸如矽和Weyl半金屬等材料的見解。

但Agarwal說，這項研究的挑戰在於，這種方法只適用於沒有反轉對稱性，而Ta2尼斯5確實存在反轉對稱性，Jog“想看看這項技術是否可以用於研究具有反轉對稱性的材料，從傳統意義上說，這些材料不應該產生這種反應，”Agarwal說。

在與Harnagea聯絡以獲得高質量Ta樣品後2尼斯5，Jog和Agarwal使用了一種改進的圓形光電流效應，並驚訝地發現有一種訊號正在產生。在進行了額外的研究以確保這不是一個錯誤或實驗偽影之後，他們與Mele合作開發了一個理論，可以幫助解釋這些意外的結果。

梅勒說，發展一個理論的挑戰是關於Ta對稱性的假設2尼斯5與實驗結果不符。然後，在發現之前的一篇理論論文表明對稱性比假設的要低之後，他們能夠對這些資料做出解釋。梅勒說：“我們意識到，如果存在一個低溫階段，系統會自發剪下，那麼就會發生剪下，這表明這種材料正在變形為另一種結構。”。

透過結合他們在實驗和理論方面的專業知識，這是該專案成功的重要組成部分，研究人員發現這種材料破壞了對稱性，這一發現對將來將這種材料和其他材料用於裝置具有重要意義。這是因為對稱性在物質相的分類中起著基礎性的作用，最終，在理解它們的下游性質方面。

這些結果也為尋找和描述其他型別材料的相似性質提供了一個平臺。“現在，我們有了一個可以探測非常細微的工具對稱性在晶體材料中斷裂。要理解任何複雜的材料，你必須考慮對稱性，因為它有著巨大的含義，”阿加瓦爾說。

在Ta之前還有一段“漫長的旅程”2尼斯5研究人員已經在進一步評估這一現象方面取得了進展。在實驗室裡，Jog和Agarwal對Ta內部額外的能量水平感興趣2尼斯5，尋找潛在的拓撲性質，並使用迴圈光電流方法研究其他相關係統，看看它們是否也可能具有類似的性質。在理論方面，Mele正在研究這種現象在其他材料系統中的普遍性，併為未來實驗人員研究其他材料提出建議。

“我們在這裡看到的是一種不應該發生但在這種情況下卻會發生的反應，”梅勒說。“擴大你所擁有的結構空間，在那裡你可以開啟這些名義上被禁止的效應，這確實是非常重要的。這在光譜學中已經不是第一次發生了，但是，無論何時發生，這都是一件有趣的事。”

同時也為研究複雜晶體提供了一種新的工具研究社群，這項工作也提供了重要的見解，可以提供兩個關鍵特性，糾纏和宏觀相干，這是至關重要的未來量子應用，從醫療診斷，低功耗電子和感測器。

阿加瓦爾說：“長期的想法，也是凝聚態物理的最大目標之一，就是能夠理解這些高度糾纏的物質狀態，因為這些材料本身可以做很多複雜的模擬。”。“如果我們能理解這些量子系統的規模，我們可以把它們變成大型的模擬系統。”