Forskare upptäcker kvantmetall med potential att förbättra framtida elektroniska enheter dramatiskt

StockholmForskare ledda av Qimiao Si från Rice University har upptäckt viktig ny information om en typ av metall som beter sig på unika sätt på kvantnivå. Deras resultat, publicerade i Physical Review Letters, förklarar hur elektroner beter sig i dessa kvantmaterial. Denna förståelse kan leda till mer avancerade elektroniska enheter. Dessa material har speciella egenskaper på grund av förändringar i deras kvanttillstånd och deras elektroniska strukturer, vilket kan ha stor påverkan på framtida teknologi.

Forskarna koncentrerade sig på:

• Kvantfasövergångar där elektroner byter fas under olika miljöförhållanden.
• Kondo-koppling och chirala spinvätskor i specifika gitterstrukturer.
• Hall-effektens reaktion på kvantkritiska punkter.

Denna studie undersöker hur kvantmekanik påverkar elektroner. Kvantmaterial skiljer sig från klassiska material eftersom de fortsätter att uppleva kvantfluktuationer, även vid absoluta nollpunkten. Dessa fluktuationer orsakar kvantfasövergångar, som leder till ovanliga fysikaliska egenskaper kända som kvantkritikalitet.

Strukturen hos dessa kvanttillstånd öppnar upp för nya möjligheter. Inom elektronik kan topologi medföra beteenden som traditionella material inte kan åstadkomma. Dessa unika egenskaper är avgörande för att utveckla avancerade elektroniska enheter.

Läs också:

Idag · 19:48

Kortvarig hormonbehandling påverkar inte långsiktig kognition hos kvinnor i tidig postmenopaus.

Qimiao Si samarbetade med Silke Paschens team vid Wiens tekniska universitet för att genomföra en detaljerad studie. De utvecklade en teoretisk modell som studerade två typer av elektroner: långsamma och snabba. De långsamma elektronerna bildar ett tillstånd som kallas ett kvantspinnvätska, vilket saknar en ordnad struktur på grund av komplexa arrangemang. När denna kvantspinnvätska interagerar med snabba elektroner uppstår en topologisk effekt och vätskan övergår till en Kondo-fas. Denna interaktion är avgörande för att förstå många egenskaper hos kvantmaterial.

Dessa material har stor inverkan på Hall-effekten, där en elektrisk ström skjuts åt sidan av ett magnetfält. Topologin hos dessa kvanttillstånd förändrar Hall-effekten avsevärt. Forskare observerade en stor förändring i Hall-effekten vid den kvantkritiska punkten. Denna förändring sker även med ett litet magnetfält, vilket gör det till en mycket känslig markör för elektroniskt beteende.

Denna upptäckt kan leda till avancerad teknik i framtiden. Den starka responsen hos Hall-effekten under kvantfasändringar kan användas för att skapa mycket känsliga sensorer. Dessa sensorer kan bli användbara inom områden som sjukvård och miljöövervakning. De unika egenskaperna hos det nya kvantkritiska metallen kan bidra till att utveckla nya elektroniska enheter med hög känslighet och noggrannhet.

Forskare från Anhui University och California State University samarbetade i studien med stöd från olika forskningsstiftelser. Deras gemensamma insatser drev framsteg inom området kvantmaterials vetenskap.