极端量子极限下钙钛矿氧化物中的相关电子探戈

“我们在一个系统中结合了相关性和拓扑学，”联合首席研究员 Jong Mok Ok 说，他与 ORNL 的首席研究员 Ho Nyung Lee 共同构思了这项研究。拓扑探测即使在几何对象发生变形(例如拉伸或挤压时)时也会保留的属性。“这项研究对于未来的信息和计算技术来说是必不可少的，”前 ORNL 博士后研究员 Ok 补充道。

在传统材料中，电子的移动是可预测的(例如，在绝缘体中昏昏欲睡或在金属中充满活力)。在电子彼此强烈相互作用的量子材料中，物理力导致电子以意想不到但相关的方式表现;一个电子的运动迫使附近的电子做出响应。

为了研究拓扑量子材料中的这种紧密的探戈，Ok 领导合成了一种极其稳定的过渡金属氧化物晶体薄膜。他和他的同事使用脉冲激光外延制造薄膜，并对其进行应变以压缩层并稳定块状晶体中不存在的相。科学家们是第一个稳定这一阶段的人。

使用基于理论的模拟，前 ORNL 博士后研究员 Narayan Mohanta 预测了应变材料的能带结构。“在紧张的环境中，我们研究的化合物铌酸锶，一种钙钛矿氧化物，改变了它的结构，创造了一种具有新电子能带结构的特殊对称性，”莫汉塔说。

如果量子力学系统的不同状态在测量时具有相同的能量值，则称为“简并”。电子同样可能填充每个简并状态。在这种情况下，特殊的对称性导致在单个能级中出现四种状态。

“由于特殊的对称性，退化受到保护，”莫汉塔说。“我们在这里发现的狄拉克电子色散是一种新材料。”他与冈本聪一起进行了计算，后者开发了一个模型来发现晶体对称性如何影响能带结构。

“将磁场下的量子材料想象成一栋 10 层楼高的建筑，每层楼都有居民，”Ok 假设。“每一层楼都是一个定义的、量化的能量水平。增加场强类似于拉动火警警报，将所有居民驱赶到底层，在安全的地方见面。实际上，它将所有狄拉克电子驱动到称为极端量子极限的地面能级。”

Lee 补充说：“被限制在这里，电子会聚集在一起。他们的互动急剧增加，他们的行为变得相互关联和复杂。”这种相关的电子行为与单粒子图像不同，为意外行为(例如电子纠缠)奠定了基础。在纠缠中，爱因斯坦称之为“远距离幽灵行动”，多个物体表现为一个。它是实现量子计算的关键。

“我们的目标是了解当电子进入极端量子极限时会发生什么，在那里我们会发现我们仍然不了解的现象，”Lee 说。“这是一个神秘的区域。”

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