揭示复杂量子材料中意想不到的性质

　　一项新的研究描述了复杂量子材料中先前意想不到的性质。利用宾夕法尼亚大学开发的一项新技术，这些发现对未来量子器件和应用的发展具有启示意义。来源：宾夕法尼亚大学
　　一项新的研究描述了一种被称为Ta的复杂量子材料先前意想不到的性质2尼斯5.利用宾夕法尼亚大学开发的一项新技术，这些发现对未来量子器件和应用的发展具有启示意义。这项研究发表于 科学进步 这项研究由研究生哈什瓦尔德恩·乔格主持，由瑞特什·阿加瓦尔教授与宾夕法尼亚大学的尤金·梅勒和来自印度科学教育与研究所的鲁米尼塔·哈纳加合作进行。
　　虽然近年来量子信息科学领域取得了进步，但量子计算机的广泛应用仍然有限。一个挑战是只能使用少量的＂量子位＂，即在量子计算机中执行计算的单位，因为目前的平台设计不允许多个量子位相互＂交谈＂。为了应对这一挑战，材料需要在量子纠缠，当量子比特的状态保持联系时，无论它们彼此之间的距离如何，以及相干性如何，或者当一个系统能够保持这种纠缠时，就会发生这种情况。
　　在这项研究中，Jog观察了Ta2尼斯5，一种具有很强电子关联性的材料系统，对量子器件很有吸引力。强电子关联意味着材料的原子结构与其电子性质和电子之间发生的强相互作用有关。
　　学习Ta2尼斯5，Jog使用了阿加瓦尔实验室开发的一种称为循环光电流效应（circular photogencic effect）的技术的改进，在这种技术中，光被设计成携带电场，能够探测不同的材料特性。这项技术在过去几年里不断发展和反复，它以传统物理和材料科学实验所不可能的方式揭示了对诸如硅和Weyl半金属等材料的见解。
　　但Agarwal说，这项研究的挑战在于，这种方法只适用于没有反转对称性，而Ta2尼斯5确实存在反转对称性，Jog＂想看看这项技术是否可以用于研究具有反转对称性的材料，从传统意义上说，这些材料不应该产生这种反应，＂Agarwal说。
　　在与Harnagea联系以获得高质量Ta样品后2尼斯5，Jog和Agarwal使用了一种改进的圆形光电流效应，并惊讶地发现有一种信号正在产生。在进行了额外的研究以确保这不是一个错误或实验伪影之后，他们与Mele合作开发了一个理论，可以帮助解释这些意外的结果。
　　梅勒说，发展一个理论的挑战是关于Ta对称性的假设2尼斯5与实验结果不符。然后，在发现之前的一篇理论论文表明对称性比假设的要低之后，他们能够对这些数据做出解释。梅勒说：＂我们意识到，如果存在一个低温阶段，系统会自发剪切，那么就会发生剪切，这表明这种材料正在变形为另一种结构。＂。
　　通过结合他们在实验和理论方面的专业知识，这是该项目成功的重要组成部分，研究人员发现这种材料破坏了对称性，这一发现对将来将这种材料和其他材料用于设备具有重要意义。这是因为对称性在物质相的分类中起着基础性的作用，最终，在理解它们的下游性质方面。
　　这些结果也为寻找和描述其他类型材料的相似性质提供了一个平台。＂现在，我们有了一个可以探测非常细微的工具对称性在晶体材料中断裂。要理解任何复杂的材料，你必须考虑对称性，因为它有着巨大的含义，＂阿加瓦尔说。
　　在Ta之前还有一段＂漫长的旅程＂2尼斯5研究人员已经在进一步评估这一现象方面取得了进展。在实验室里，Jog和Agarwal对Ta内部额外的能量水平感兴趣2尼斯5，寻找潜在的拓扑性质，并使用循环光电流方法研究其他相关系统，看看它们是否也可能具有类似的性质。在理论方面，Mele正在研究这种现象在其他材料系统中的普遍性，并为未来实验人员研究其他材料提出建议。
　　＂我们在这里看到的是一种不应该发生但在这种情况下却会发生的反应，＂梅勒说。＂扩大你所拥有的结构空间，在那里你可以打开这些名义上被禁止的效应，这确实是非常重要的。这在光谱学中已经不是第一次发生了，但是，无论何时发生，这都是一件有趣的事。＂
　　同时也为研究复杂晶体提供了一种新的工具研究社区，这项工作也提供了重要的见解，可以提供两个关键特性，纠缠和宏观相干，这是至关重要的未来量子应用，从医疗诊断，低功耗电子和传感器。
　　阿加瓦尔说：＂长期的想法，也是凝聚态物理的最大目标之一，就是能够理解这些高度纠缠的物质状态，因为这些材料本身可以做很多复杂的模拟。＂。＂如果我们能理解这些量子系统的规模，我们可以把它们变成大型的模拟系统。＂