Forscher entdecken neuartige flache Bänder, die das Potenzial der Quanten-Technologie freisetzen

BerlinForscher der Rice University haben herausgefunden, dass es möglicherweise flache elektronische Zustandsbänder auf der Fermi-Ebene gibt. Diese Entdeckung könnte zur Verbesserung von Quantencomputern und elektronischen Geräten beitragen. Ihre Studie wurde am 19. Juni in Nature Communications veröffentlicht.

Quantensysteme gehorchen den Gesetzen der Quantenmechanik. In solchen Materialien nehmen Elektronen bestimmte Energieniveaus ein, wobei das höchste Niveau als Fermi-Energie bezeichnet wird. Elektronen stoßen sich gegenseitig ab und ihre Bewegungen sind miteinander verknüpft. Ein Team um Qimiao Si fand heraus, dass diese Wechselwirkungen neue flache Energieniveaus auf Höhe der Fermi-Energie erzeugen können, wodurch sie an Bedeutung gewinnen.

Flache elektronische Bänder verstärken die Wechselwirkungen zwischen Elektronen. Dies kann zu neuen Quantenzuständen und einzigartigen Niederenergieverhalten führen. Solche Bänder sind besonders nützlich in d-Elektronen-Materialien, die Übergangsmetallionen enthalten. Diese Materialien zeichnen sich durch spezielle Kristallstrukturen und Eigenschaften aus.

Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin:

• Neue Ansätze zur Gestaltung von d-Elektronen-Materialien
• Potenzielle neue Anwendungen in Quantenbits (Qubits)
• Einsatzmöglichkeiten in der Spintronik

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Die Forscher entdeckten, dass Wechselwirkungen zwischen Elektronen stationäre und bewegliche Elektronenzustände verknüpfen können. Mit einem theoretischen Modell wiesen sie nach, dass diese Wechselwirkungen eine neue Art von Kondo-Effekt hervorrufen können, bei dem stationäre Teilchen durch die Interaktion mit beweglichen Elektronen auf der Fermi-Energie in Bewegung versetzt werden.

Die flachen Bänder besitzen eine bedeutende Eigenschaft namens Topologie. „Die flachen Bänder auf der Energiestufe des Fermi-Niveaus können neue Arten von Quantenzuständen hervorrufen", erklärte Chen. Die Forschung zeigt, dass dazu Anyons und Weyl-Fermionen gehören, spezielle Teilchen, die keine Masse haben, aber eine elektrische Ladung tragen.

Anyonische Materialien könnten sich als nützlich für Quantenbits (Qubits) erweisen. Materialien mit Weyl-Fermionen könnten in der Spin-basierten Elektronik Verwendung finden. Diese Materialien könnten gut auf äußere Signale reagieren und fortschrittliche Quantenkontrolle ermöglichen.

Zu dieser Forschung haben folgende Personen beigetragen:

• Fang Xie und Shouvik Sur, Postdoktoranden für Physik und Astronomie an der Rice University
• Haoyu Hu, Alumnus der Rice University und Postdoktorand am Donostia International Physics Center
• Silke Paschen, Physikerin an der Technischen Universität Wien
• Jennifer Cano, theoretische Physikerin an der Stony Brook University und am Flatiron Institute